操作系统面试题五

多级页表

多层页表的结构相似一个Btree，这种层次结构有效减缓了内存要求：

• 如果一个一级页表的一个PTE是空，那么 相应的二级页表也不存在。这代表一种巨大的潜在节约（对于一个普通的程序来说，虚拟地址空间的大部分都会是未分配的）。
• 只有一级页表才总是需要缓存到内存中，这样虚拟内存系统就可以在需要时创建、页面调入或调出二级页表（只有经常使用的二级页表才会被缓存在内存中），这就减少了内存的压力。

地址翻译的过程

地址翻译是一个N元素的虚拟地址空间中的元素和一个M元素的物理地址空间中元素之间的映射。

MMU利用页表进行寻址的过程：

页表基址寄存器指向当前页表。一个n位的虚拟地址包含两个部分，一个p位的虚拟页面偏移量和一个（n-p）的虚拟页号。

MMU根据虚拟页号寻找对应的PTE。因为物理页和虚拟页的大小一致，所以物理偏移量和虚拟页面偏移量时一致的，所以只要将PTE中的物理页号（Physical Page Number, PPN）与虚拟地址中的VPO串联起来，就能得到相应的物理地址

TLB

页表是被缓存在内存中，虽然内存的速度相对于硬盘来说已经很快，但与cpu还是存在很大差异。为了防止每次地址翻译都需要去访问内存，cpu使用了高速缓存与TLB来缓存PTE.

TLB被翻译成后备缓冲器，它是MMU中的一个缓冲区，其中每一行都保存着一个由单个PTE组成的块。用于组选择和行匹配的索引字段与标记字段是从vpn中提取出来的，如果TLB中有T = 2^t个组，那么TLB索引（TLBI）是由VPN的t个最低位组成的，而TLB标记（TLBT）是由VPN中剩余的位组成的。

地址翻译过程

• 第一步，cpu将一个虚拟地址交给MMU进行地址翻译。
• 第二步和第三步，MMU通过TLB取得相应的PTE.
• 第四步，MMU通过PTE翻译出的物理地址并将它发送给高速缓存/内存。
• 第五步，高速缓存返回数据给cpu（如果缓存命中的话，否则还需要访问内存）。

当TLB未命中时，MMU必须从高速缓存/内存中取出相应的PTE，并将新取得的PTE存放到TLB（如果TLB已满会覆盖一个已经存在的PTE）。