MMU与分页机制

分页
分页时一种内存管理方案，同时也提供了内存保护机制。它允许分配的物理内存地址可以是非连续的。

逻辑内存分为大小相等块的组合，这个块称之为页；物理内存则分为固定大小的帧(frame)。页大小应和帧大小相同，这是由硬件决定的。通常是2的幂，这样可以方便地将逻辑地址映射到物理地址。

基于分页的逻辑地址到物理地址的映射

考虑32位地址。如果页大小是4KB，则需要12位来表示每一页中的某个具体地址，因此32位的逻辑地址中需要12位来对某一页中的具体地址寻址。这12位叫做页偏移。剩下的20位可以作为页码，可以有1M的页。逻辑地址可以表示为：
               

寻址时，根据页码P查页表，找到该页对应的帧，将帧号与页偏移（也是帧偏移）组合即得到物理地址。这样也说明了为什么页大小要等于帧大小，因为页数要等于帧数。

例如，页大小为4K，页码11对应的帧码是10，即表示是第10块物理帧，也偏移为5，则逻辑地址0X0000b 005对应的物理地址是0X0000a 005。

3.3 分页的内存保护
基于分页的操作系统在分配内存时分给进程所需要的页数，其对应物理内存的帧号同时装入该MMU的页表。同时页表上有一个标记为，指明该页是属于哪个进程的。甚至可以定义该页对于某个进程的读写权限。非法的读写操作会产生硬件陷阱（或内存保护冲突）。

3.4 分页的代价
由上一节可知分页是基于查找表的，而在内存中存储这个1M个项目的页表本身就带来了内存消耗和查找速度问题。于是，页表通常需要硬件的支持，即将页表写在硬件MMU的寄存器中。

如果页表比较小，那么页表写在寄存器中可以加快查找速度。但绝大多数当代的计算机页表都非常大。对于这些页表，采用快速寄存器来实现页表就不太合理了。

一种办法是使用TLB（translation look-aside buffer）。TLB是关联的寄存器，TLB条目由两部分组成：页号和帧号。

TLB 只包含页表中的一小部分条目，整个页表还是保存在内存中。当CPU产生逻辑地址后，其页号提交给TLB。如果找到了页号，那同时也就找到了帧号，就可以访 问物理内存；如果页号不在TLB中（称为TLB失效），那就需要访问页表。在页表中找到帧号后，把页号和帧号增加到TLB中，这样下次再用时可以很快找 到。如果TLB中条目已满，则操作系统会根据一个替换策略来替换条目。替换策略有很多，从最近最小使用替换到随机替换等。另外，有的TLB允许某些条目不 被替换，如内核代码的条目。

有的TLB还在条目中保存地址空间保护标志符，用来唯一标志进程，以提供进程内存保护。

3.5 页表结构
对于32位以及64位逻辑地址的计算机来说，其页表实在太过庞大。为了压缩页表，一个简单的方法是使用层次化分页算法，就是将页表再分页。（这实际上是一种索引的方法）

即将2^20个页表项分为2^10个组，每个组里面有2^10项。这样只需要2K*4=8K的页表空间，且查找速度也有很大提升。例如原先最坏情况下要查2^20次，现在最坏只要2*2^10次