彻底搞懂虚拟地址翻译为物理地址的过程 _虚拟地址

现代的操作系统将可执行文件加载后，创建了进程，进程中每一条指令和数据都被分配了一个虚拟地址，CPU获取到这个虚拟地址后，需要翻译成内存的物理地址后，才能访问指令和数据，本片文章阐述的重点就是虚拟地址翻译物理地址的流程和实践，因此分成2部分阐述
1.虚拟地址翻译物理地址的流程?
2.举一个例子实践下?
虚拟地址翻译物理地址的流程?当CPU第一次访问虚拟地址时，虚拟地址所在的虚拟页不在内存中，虚拟页表项(PTE)也不在TLB中，因此需要执行的步骤比较多，如下图

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第一次访问虚拟地址
1.处理器将虚拟地址(VA)送往MMU(内存管理单元)

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虚拟地址格式
如上图所示,虚拟地址长度为n,虚拟页偏移量长度为p 。
2.MMU获取虚拟地址中的虚拟页号(VPN)，然后将虚拟页号发送给TLB(翻译后备缓冲器),TLB根据虚拟页号从TLB映射表中查询PTE(页表项即Page Table Entry) 。

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PTE(页表项)
3.TLB(翻译后备缓冲器)将查询结果返回给MMU(内存管理单元)
4.MMU(内存管理单元)分析查询结果是否有PTE(页表项)，发现PTE为空，没有命中,因此MMU根据页表基址寄存器(PTBR)中的页表起始地址加上虚拟页号(VPN)，得出虚拟页页表项的物理地址PTEA（即Page Table Entry Address），然后将这个物理地址送往高速缓冲(L1) 。
5.高速缓冲(L1)根据PTEA查询内部的缓冲映射表，发现没有找到PTEA映射的内容即PTE（页表项），然后向内存请求PTEA下的内容。
6.内存将PTEA下的内容PTE，发送给高速缓冲(L1)，高速缓冲(L1)建立了PTEA和PTE的映射关系。
7.高速缓冲(L1)再次根据PTEA查询内部的缓冲映射表，这次找到了，然后将PTE发送给TLB 。
8~9.TLB收到了PTE后，建立了虚拟页号(VPN)和PTE的映射（8），然后将PTE发送给MMU 。
10.MMU收到了PTE后，检查PTE的有效位，看看虚拟页是否在内存中。
11.MMU检查PTE后，发现虚拟页不在内存中，因此发送缺页中断给CPU，CPU开始执行缺页中断处理程序。
12.缺页中断处理程序根据页面置换算法，选择出一个已经缓冲的虚拟页作为牺牲页（如果这个虚拟页发生了变化，则更新到磁盘中），将这个牺牲页的PTE的有效位设置为0，表明这个牺牲页不在内存了。
13.缺页中断处理程序将缺少的页，从磁盘换入到空闲的物理内存中，设置缺少的虚拟页的PTE的有效位为1，更新物理号。
14.缺页中断处理程序执行完毕，跳转到发生缺页的指令处，然后CPU重新执行该指令，重新发出虚拟地址到MMU,跳到了1，开启下一个循环。
当CPU第二次访问同一个虚拟地址时，虚拟地址所在的虚拟页已经内存中，虚拟页表项(PTE)也在TLB中了，因此需要执行的步骤少了很多，如下图

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第二次访问虚拟地址
1.处理器将虚拟地址(VA)送往MMU(内存管理单元)
2.MMU获取虚拟地址中的虚拟页号(VPN)，然后将虚拟页号发送给TLB(翻译后备缓冲器),TLB根据虚拟页号从TLB映射表中查询PTE(页表项即Page Table Entry) 。
3.TLB(翻译后备缓冲器)将查询结果返回给MMU(内存管理单元)
4.MMU(内存管理单元)分析查询结果是否有PTE(页表项)，发现PTE有值，命中了，然后检查PTE的有效位，发现有效位是1，因此不缺页，根据PTE中的物理号加上虚拟地址中的(VPO)计算出指令或者数据的物理地址PA,将PA发送到高速缓冲(L1)
5.高速缓冲(L1)根据PA查询内部的缓冲映射表，发现没有找到PA映射的内容即指令或者数据，然后向内存请求PA下的内容。
6.内存将PA下的内容，发送给高速缓冲(L1)，高速缓冲(L1)建立了PA和内容的映射关系。
7.高速缓冲(L1)再次根据PA查询内部的缓冲映射表，这次找到了，然后将代码或者指令发送到数据总线，CPU收到数据总线的数据后，感叹道，终于拿到数据了。
当CPU第三次访问同一个虚拟地址时，与第二次不同的是，因为虚拟地址对应的物理地址的数据，已经映射到高速缓冲(L1),所以不再从内存中查询。
好了，虚拟地址翻译物理地址的整个过程阐述完毕，下面来举个具体的例子来实践下！
举一个例子实践上一节是虚拟地址翻译物理地址的过程，现在实践下，实践前先普及两个概念TLB和高速缓冲。
TLB