【linux温故】MMU

提出问题

我们知道程序运行拿到的地址都是虚拟地址，和实际内存的物理地址是不一样的。
而我们程序产生的数据是要真正写到内存上去的。
这时候，就需要有个机制，帮我们访问的 虚拟地址，转换为 物理地址。

这个机制，或者说，硬件，就叫 MMU。

MMU 是怎么工作的呢？

原理

linux 采用了所谓的分页机制。

将我们的物理内存以 4KB 为一个页，分成非常多的 “页”。

而我们访问的内存地址，其实都是映射到这些页上去的。

下面就展示了一个典型的，从一个虚拟地址映射到物理地址的过程：

这里把虚拟地址分为了 3 段：

• 第一段[bit: 31- 20]，其实是第一张 页表，的索引。
• 这个索引里，指向了第二级页表。
• 第二段[bit: 19 - 12]，其实就是这个第二级页表的索引。
• 这个索引里，应该是存放了物理地址的高 20 位。
• 第三段[bit: 11 - 0]，存放了物理内存的业内偏移。这个地址加上上面得到的物理地址高20位，加起来，就是真正的物理地址了。

大致，就是这个原理。

这里需要注意，使用多少级的页表、以及虚拟地址、物理地址的格式、PTE的格式等等，与32系统还是64位系统有关，也与处理器的架构有关，需要根据不同系统、不同处理器架构分析。

但是MMU工作原理都是一样的，不管是二级页表、三级页表还是四级页表，都是通过第一级页表找到第二级页表，通过第二级页表找到第三级页表…最终找到物理地址。只要明白了MMU的工作原理，分析其他的页表也是大同小异。

TLB

但是有个问题，就是，效率很低，上面这些页表，其实都是放在内存的，每次查询页表，都要访问内存，效率非常低。怎么解决呢？

这里就引入了 TLB，页面高速缓存。

比如，把一些最近用到的一些映射条目，放到CPU 的高速缓存中，每次在访问内存前，看看缓存是否可以命中，如果可以命中，就直接走 TLB 中的条目，就不用查内存了，提升了效率。

关于 TLB 的详细技术细节，以及 缓存失效等等，这里就不展开了。

缺页中断

在页表中，有个 present 标志位，表明这个页，当前是否在物理内存中，如果不在，就会触发一个 缺页异常，然后CPU 会从磁盘把这个 page 调入到 物理内存中。

相反地，当一些长时间不用的 页，长时间占用内存，内存管理模块会通过某种机制，将这些“占着茅坑不拉屎”的page，交换到磁盘，释放宝贵的内存空间。

缺页中断更多的技术细节，暂时也不展开了。