計算機一次取數過程分析

1 取址過程

CPU由運算器和控制器組成，其中控制器中的程序計數器(PC)保存的是下一條指令的虛擬地址，經過內存管理單元(MMU)，將虛擬地址轉換為物理地址，之后交給主存地址寄存器(MAR)，從主存中取出這條指令，通過主存數據寄存器(MDR)交給指令寄存器(IR)，IR再將其轉化成控制信號。

2 間址過程

一條指令由 <操作碼，尋址方式，地址碼> 幾部分組成，尋址方式共有以下十種

• 隱含尋址
• 立即尋址
• 直接尋址
• 間接尋址
• 寄存器尋址
• 寄存器間接尋址
• 相對尋址
• 基址尋址
• 變址尋址
• 堆棧尋址

根據有效地址(EA)或立即數所處的位置，可以分為以下三類

在寄存器：隱含尋址、寄存器尋址

在立即數：立即尋址

在主存：直接尋址、間接尋址、寄存器間接尋址、相對尋址、基址尋址、變址尋址、堆棧尋址

而無論哪種方式得到的有效地址(EA)同樣也是虛擬地址

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接下來要解決以下兩個問題

問題一：虛擬地址如何轉為物理地址？

問題二：如何訪問該物理地址？

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3 虛擬地址轉為物理地址

3.1 單級頁表系統

在分頁管理的操作系統中，將主存分為一個個頁框，操作系統會建立頁表這種數據結構，負責虛擬頁號和主存頁框號的映射。

虛擬地址由 <頁號，頁內偏移量> 兩部分組成，根據頁號去查詢頁表，然后將頁表中的頁框號和頁內偏移量組成物理地址。

例如頁表部分內容如下，虛擬地址為00123366H，按字節編址，虛擬地址格式為<頁號12位，頁內偏移量20位>

根據虛擬地址中的001H，找到1號頁表項，其頁框號為521H，拼接上頁內偏移量后即可得到物理地址52123366H。

但是如果想要查詢頁表，也要知道頁表的起始地址，頁表的地址保存在進程控制塊(PCB)中，當CPU調度該進程時，會將PCB中的頁表起始地址放入頁表基址寄存器中，頁表起始地址為物理地址。

同時，為了解決頁表項過多導致一個頁框中放不下的問題，引入了多級頁表。為了減少訪存次數引入了快表(TLB)。

3.2 二級頁表系統

在使用多級頁表的32位操作系統中（以二級頁表為例），虛擬地址被分成了 <頁目錄號，頁號，頁內偏移量> 三部分，例如在下圖虛擬地址格式下虛擬地址為10801008H，頁目錄項和頁表項長度均為4字節，按字節編址。

10801008H，其頁目錄號是66，頁號是1，因此根據頁目錄號為66找到頁目錄項，其中的頁框號是00301H，找到對應的頁表所在頁框，然后拼接上頁號找到頁號頁表項對應的物理地址00301004H(這里因為一個頁目錄項是4B)，頁表中的頁框號是98521H，拼接上頁內偏移量，最終的物理地址為98521008H。

3.3 二級頁表系統+快表

快表的實現基于相聯存儲器，是一種靜態隨機存取存儲器(SRAM)，使用的存儲元是雙穩態觸發器，存取速度快。

在使用TLB的系統中，虛擬地址向物理地址的轉換一般先查詢快表（或者快表慢表一起查詢），如果快表命中，可以直接獲得頁框號，再和頁內偏移量組合，得到物理地址。

快表的映射方式有兩種，為全相聯映射和組相聯映射，至于為什么不使用直接映射，在討論完全相聯映射和組相聯映射后再討論。

全相聯映射

使用全相聯映射的TLB中

TLB的格式為 <標記位，有效位，頁框號>

此處的標記位即虛擬頁號，若虛擬地址格式為 <頁目錄號(10位)，頁號(10位)，頁內偏移量(12位)>

TLB的標記位是虛擬地址中的頁目錄號+頁號組成的虛擬頁號

因為TLB是使用硬件電路實現的，全部TLB標記可以并行對比。

例如虛擬地址為10801008H，TLB使用全相聯映射，虛擬地址格式為<頁目錄號(10位)，頁號(10位)，頁內偏移量(12位)>,TLB部分內容如下圖所示

查詢TLB表，10801H與虛擬頁號一致，且有效位為1，因此可以直接得到頁框號00001H，與頁內偏移量008H拼接得到物理地址為00001008H，若未命中則回到上文中的查詢二級頁表的過程，且更新快表。

組相聯映射

使用組相聯映射的TLB格式如為 <標記位，有效位，頁框號>，虛擬地址格式為 <標記位，組號，頁內偏移量>，標記位+組號就是虛擬頁號，同頁目錄號+頁表號

例如二路組相聯的TLB，其中共有32行，分成16組(用4位二進制表示)，若虛擬地址為10801008H，虛擬地址格式為<標記位(16位)，組號(4位)，頁內偏移量(12位)>，則查找1號分組，標記位為1080H

第一組標記位為1080H命中，其有效位為1，直接得到頁框號為00002H，拼接上頁內偏移量得到物理地址為00002008H，若未命中則回到上文中的查詢二級頁表的過程，且更新快表。

直接映射

TLB一項的大小很小，而且直接映射沖突率高，為了實現高命中率和低沖突率，因此TLB不使用直接映射。

而cache按照塊大小，將主存一塊數據(主存的一塊和內存管理的一頁沒有關系，通常一頁的大小比一塊的大小要更大)讀入cache行中，沖突率相比TLB會小一些，在部分場景下可以接受這種沖突的成本。

4.訪問物理地址

得到物理地址后，會先訪問cache，如果cache未命中訪問主存，并將該物理地址所在塊調入cache中（或者同時訪問cache和主存）。

cache和TLB都是基于SRAM的相聯存儲器，不同的是cache的映射方式有三種，分別是直接映射，全相聯映射，組相聯映射。

直接映射

物理地址格式為 <Tag，行號，塊內地址>

cache行內格式為 <Tag，有效位，臟位等其他數據，塊數據>

全相聯映射

物理地址為 <Tag，塊內地址>

cache行內格式為 <Tag，有效位，臟位等其他數據，塊數據>

組相聯映射

物理地址格式為 <Tag，組號，塊內地址>

cache行內格式為 <Tag，有效位，臟位等其他數據，塊數據>

因為和TLB的過程沒有太大區別，此處不再詳細討論。

不過值得注意的是，當TLB和cache未命中要更新TLB和cache時候需要使用置換算法，置換算法此處也不再討論。