Lec 20 虚拟内存

TL;DR

• 虚拟内存目标：为各进程提供独立且受保护的扁平线性地址空间，解耦程序逻辑地址与物理 DRAM 分布。
• 分页映射机制：通过定长页（4KB）与多级页表实现虚拟页号（VPN）到物理页号（PPN）的离散映射与访问权限校验。
• 硬件加速翻译：引入快表（TLB）缓存热点页表项（PTE），规避多级页表造成的 DRAM 连续访存惩罚。

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虚拟内存架构与核心机制速览

说明：本课程的虚拟内存微架构与系统软硬件协同设计已完整整理在 Lec 18 虚拟内存（涵盖虚拟内存总览、虚拟/物理地址划分、分段与分页对比、页表与页表项 PTE、按需分页 demand paging、页面置换、缺页异常、MMU 与 TLB、上下文切换与地址空间保护等）。本页作为课程大纲索引，核心要点归纳如下：

• 目标与抽象：让每个进程拥有一个大、私有、独占的存储空间假象，实现进程间故障隔离与安全的内存共享。
• 虚拟地址 → 物理地址：分段（segmentation）易产生外部碎片；定长分页（paging）通过页表建立映射，消除了外部碎片，是现代处理器的标准范式。
• 页表项 PTE：包含 resident（驻留位）、PPN（物理页号）、protection（R/W/X 权限）、dirty（脏位）等元数据。
• 按需分页（demand paging）：将主存视为磁盘交换区的缓存；访问未驻留页触发硬件缺页异常，交由操作系统内核处理换页。
• 缓存 vs 按需分页：页（4KB）远大于缓存块（~64B），缺页开销长达数百万周期，因此页表采用全相联映射并由操作系统软件策略处理置换。
• TLB 硬件加速：页表遍历带来数倍访存开销，MMU 内嵌 TLB 缓存最新翻译结果，未命中时触发硬件页表遍历器（PTW）或软件陷阱。
• 上下文切换：切换进程时由特权级指令原子更新页表基址寄存器（如 satp/CR3），并选择性刷新或按 ASID 标识 TLB。