操作系统---精髓与设计原理 之 虚拟存储器(MMU)

1. 虚拟存储器的历史

MMU是Memory Management Unit的缩写，中文名是内存管理单元，它是中央处理器（CPU）中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权，多用户多进程操作系统。
许多年以前，当人们还在使用DOS或是更古老的操作系统的时候，计算机的内存还非常小，一般都是以K为单位进行计算，相应的，当时的程序规模也不大，所以内存容量虽然小，但还是可以容纳当时的程序。但随着图形界面的兴起还有用户需求的不断增大，应用程序的规模也随之膨胀起来，终于一个难题出现在程序员的面前，那就是应用程序太大以至于内存容纳不下该程序，通常解决的办法是把程序分割成许多称为覆盖块（overlay）的片段。覆盖块0首先运行，结束时他将调用另一个覆盖块。虽然覆盖块的交换是由OS完成的，但是必须先由程序员把程序先进行分割，这是一个费时费力的工作，而且相当枯燥。人们必须找到更好的办法从根本上解决这个问题。不久人们找到了一个办法，这就是虚拟存储器(virtual memory).虚拟存储器的基本思想是程序，数据，堆栈的总的大小可以超过物理存储器的大小，操作系统把当前使用的部分保留在内存中，而把其他未被使用的部分保存在磁盘上。比如对一个16MB的程序和一个内存只有4MB的机器，操作系统通过选择，可以决定各个时刻将哪4M的内容保留在内存中，并在需要时在内存和磁盘间交换程序片段，这样就可以把这个16M的程序运行在一个只具有4M内存机器上了。而这个16M的程序在运行前不必由程序员进行分割。一个物理存储块（通常为一个页框）被多个逻辑页映射。

2. 程序员学习必要性

为了更加有效地管理存储并且少出错 , 现代操作系统提供了一种对主存的抽象概念 ,叫虚拟存储器 .虚拟存储器是硬件异常 ,硬件地址翻译 ,主存，磁盘文件和内核软件的完美交互 ，它为每个进程提供了一个大的 ， 一致的和私有的地址空间 。通过一个很清晰的机制，虚拟存储器提供了三个重要的能力：

1.它将主存看成是一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存，在主存中只保护活动区域，并根据需要在磁盘和主存之间来回传送数据，通过这种方式，它高效的使用了主存。

2.它为每个进程提供了一致的地址空间，从而简化了存储器管理。

3.它保护咯每个进程的地址空间不被其他进程破坏。

程序员学习虚拟存储器有必要的原因：

1.虚拟存储器是中心的。

虚拟存储器遍及计算机系统的所有层面，在硬件异常，汇编器，连接器，加载器，共享对象，文件和进程的设计中扮演着重要角色。理解虚拟存储器将帮助你利用它更好地理解系统通常是如何工作的。

2.虚拟存储器是强大的。

虚拟存储器给予应用程序强大的能力，可以创建和销毁存储器片，将存储器片映射到磁盘文件的某个部分，以及与其他进程共享存储器。

3.虚拟存储器是危险的。

每次应用程序引用一个变量，间接引用一个指针，或者调用一个诸如malloc这样的动态分配程序时，它就会和虚拟存储器发生交互，如果虚拟存储器使用不当，应用将遇到复杂危险的与存储器有关的错误。

3.相关概念

——地址范围、虚拟地址映射为物理地址 以及 分页机制

任何时候，计算机上都存在一个程序能够产生的地址集合，我们称之为地址范围。这个范围的大小由CPU的位数决定，例如一个32位的CPU，它的地址范围是0~0xFFFFFFFF （4G)，而对于一个64位的CPU，它的地址范围为0~0xFFFFFFFFFFFFFFFF （16E).这个范围就是我们的程序能够产生的地址范围，我们把这个地址范围称为虚拟地址空间，该空间中的某一个地址我们称之为虚拟地址。与虚拟地址空间和虚拟地址相对应的则是物理地址空间和物理地址，大多数时候我们的系统所具备的物理地址空间只是虚拟地址空间的一个子集。这里举一个最简单的例子直观地说明这两者，对于一台内存为256M的32bit x86主机来说，它的虚拟地址空间范围是0~0xFFFFFFFF（4G），而物理地址空间范围是0x000000000~0x0FFFFFFF（256M）。

在没有使用虚拟存储器的机器上，虚拟地址被直接送到内存总线上，使具有相同地址的物理存储器被读写；而在使用了虚拟存储器的情况下，虚拟地址不是被直接送到内存地址总线上，而是送到存储器管理单元MMU，把虚拟地址映射为物理地址。

大多数使用虚拟存储器的系统都使用一种称为分页（paging）机制。虚拟地址空间划分成称为页（page）的单位，而相应的物理地址空间也被进行划分，单位是页帧(frame).页和页帧的大小必须相同。在这个例子中我们有一台可以生成32位地址的机器，它的虚拟地址范围从0~0xFFFFFFFF（4G），而这台机器只有256M的物理地址，因此他可以运行4G的程序，但该程序不能一次性调入内存运行。这台机器必须有一个达到可以存放4G程序的外部存储器（例如磁盘或是FLASH），以保证程序片段在需要时可以被调用。在这个例子中，页的大小为4K，页帧大小与页相同——这点是必须保证的，因为内存和外围存储器之间的传输总是以页为单位的。对应4G的虚拟地址和256M的物理存储器，他们分别包含了1M个页和64K个页帧。