计算机结构（Computer Architecture）chapter three ----------- 虚拟内存（Virtual Memory）简介
- Momery：内部可以看成是一个网格型，被分成成千上万个格子，一个格子就是1byte，字节就是内存里最小的I/O单位。
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Momery address：就是给内存里的每一个格子都安排一个门牌号(1、2、3、4、5、6、7……)，内存地址决定了CPU能访问的内存大小。例如：32位操作系，CPU一次可以操作的最大数据为
，也就是能一次能操作
Bytes，大约能装17亿GB内存。
- Virtual Memory：因为DRAM(内存)大小有限，执行一个进程可能非常大，不可能把所有数据都载入DRAM中，供CPU调用。因此使用虚拟内存，先将一小部分数据载入DRAM，大部分还是存在于Disk中，OS会创建page table用来映射虚拟地址与物理地址(DRAM地址或者Disk地址)，再通过页替换算法替换内存与硬盘中的数据。从而假装进程都在内存中，假装扩大了内存。
- 举个栗子：
假设，32位的操作系统，DRAM只有1GB，但程序运行要创建一个4GB的数据区，计算机OS会创建一个4GB的虚拟内存地址空间，有32bit虚拟地址，然后对4GB的数据按某个固定大小进行分页产生page。同时对DRAM也分页产生page frame用来放page，理论上page和page frame 是一样大的。显然真实的DRAM只有1G而数据有4GB，所以无法全部数据都载入。因此在虚拟内存中，OS会为每一个程序都创建一个page table，page table记录了所有page的虚拟地址到物理地址的转换，同时还有valid bit 记录了此page是否已在DRAM中，page table本身是存放在DRAM里的。通常page table中还会有，dirty bit 和 reference bit，分别用来记录此page是否被修改过和此page是否被访问过。
Virtual Address：32bits的虚拟地址，其实被分为两部分，page的数量(Virtual page number)和page的大小(page offset)，如下图：
Page offset为12 bits，表示每一个page大小为4KB，Virtual page number为20 bits，即数据分成了 个page。
page table结构：page table 有Valid bit记录此page是否在DRAM中，还有Data栏记录了虚拟地址与物理地址的映射关系，如下图：
Virtual page number 即 被引用page的页码，若Vaild bit 为1则映射的地址为DRAM的Physical page number，指向DRAM，若Vaild bit为0 则映射的地址为Disk address，指向Disk（swap space）。（图中只画valid bit，其实page table还有许多其它的相关控制bit）
CPU查询page table引用page过程：CPU发送了一个reference指令，即一个Virtual Address，前20bits即对应的page的页码，指向page table中对应的enrty 。若valid bit为1，取出Physical page number 与 Virtual Address中的Page offset结合，便成了内存物理地址(Physical address)，然后在DRAM中寻找到对应的数据返回CPU。
Page Fault：当CPU引用page，查page table 发现该page 不在内存中，即发生page fault，启用调页机制，在disk中将需要的page调入内存中。过程大致如下图：1.reference指令出现。 2.page table 中valid bit 为0，引发page fault 。 3.唤醒OS进行调页，在disk中找到需要的page。4.调入内存中。5.更新page table的地址映射和valid bit。 6.返回数据。
- Page Table Size 计算：
假设虚拟内存地址32bit，page size 是4KB，page table entry 是4B；
Page size 4KB => page offset = 12 bits;
Virtual page number = 32-12 = 20 bits;
Number of page table entry = ;
Page table size : * 4 =
B = 4MB;
仅为个人理解，如有不足，请指教。