MMU的工作原理梳理

本文從內(nèi)存管理的發(fā)展歷程角度層層遞進(jìn)，介紹 MMU 的誕生背景，工作機(jī)制。而忽略了具體處理器的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，將 MMU 的工作原理從概念上比較清晰的梳理了一遍。

MMU 誕生之前：在傳統(tǒng)的批處理系統(tǒng)如 DOS 系統(tǒng)，應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)在內(nèi)存中的布局大致如下圖：

應(yīng)用程序直接訪問物理內(nèi)存，操作系統(tǒng)占用一部分內(nèi)存區(qū)。

操作系統(tǒng)的職責(zé)是“加載”應(yīng)用程序，“運(yùn)行”或“卸載”應(yīng)用程序。

如果我們一直是單任務(wù)處理，則不會(huì)有任何問題，也或者應(yīng)用程序所需的內(nèi)存總是非常小，則這種架構(gòu)是不會(huì)有任何問題的。然而隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，所需解決的問題越來越復(fù)雜，單任務(wù)批處理已不能滿足需求了。而且應(yīng)用程序需要的內(nèi)存量也越來越大。而且伴隨著多任務(wù)同時(shí)處理的需求，這種技術(shù)架構(gòu)已然不能滿足需求了，早先的多任務(wù)處理系統(tǒng)是怎么運(yùn)作的呢？

程序員將應(yīng)用程序分段加載執(zhí)行，但是分段是一個(gè)苦力活。而且死板枯燥。此時(shí)聰明的計(jì)算機(jī)科學(xué)家想到了好辦法，提出來虛擬內(nèi)存的思想。程序所需的內(nèi)存可以遠(yuǎn)超物理內(nèi)存的大小，將當(dāng)前需要執(zhí)行的留在內(nèi)存中，而不需要執(zhí)行的部分留在磁盤中，這樣同時(shí)就可以滿足多應(yīng)用程序同時(shí)駐留內(nèi)存能并發(fā)執(zhí)行了。

從總體上而言，需要實(shí)現(xiàn)哪些大的策略呢？

所有的應(yīng)用程序能同時(shí)駐留內(nèi)存，并由操作系統(tǒng)調(diào)度并發(fā)執(zhí)行。需要提供機(jī)制管理 I/O 重疊，CPU 資源競(jìng)爭(zhēng)訪問。

虛實(shí)內(nèi)存映射及交換管理，可以將真實(shí)的物理內(nèi)存，有可變或固定的分區(qū)，分頁(yè)或者分段與虛擬內(nèi)存建立交換映射關(guān)系，并且有效的管理這種映射，實(shí)現(xiàn)交換管理。

這樣，衍生而來的一些實(shí)現(xiàn)上的更具體的需求：

競(jìng)爭(zhēng)訪問保護(hù)管理需求：需要嚴(yán)格的訪問保護(hù)，動(dòng)態(tài)管理哪些內(nèi)存頁(yè)/段或區(qū)，為哪些應(yīng)用程序所用。這屬于資源的競(jìng)爭(zhēng)訪問管理需求。

高效的翻譯轉(zhuǎn)換管理需求：需要實(shí)現(xiàn)快速高效的映射翻譯轉(zhuǎn)換，否則系統(tǒng)的運(yùn)行效率將會(huì)低下。

高效的虛實(shí)內(nèi)存交換需求：需要在實(shí)際的虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存進(jìn)行內(nèi)存頁(yè)/段交換過程中快速高效。

總之，在這樣的背景下，MMU 應(yīng)運(yùn)而生，也由此可見，任何一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展壯大，都必然是需求驅(qū)動(dòng)的。這是技術(shù)本身發(fā)展的客觀規(guī)律。

內(nèi)存管理的好處為編程提供方便統(tǒng)一的內(nèi)存空間抽象，在應(yīng)用開發(fā)而言，好似都完全擁有各自獨(dú)立的用戶內(nèi)存空間的訪問權(quán)限，這樣隱藏了底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，提供了統(tǒng)一可移植用戶抽象。

以最小的開銷換取性能最大化，利用 MMU 管理內(nèi)存肯定不如直接對(duì)內(nèi)存進(jìn)行訪問效率高，為什么需要用這樣的機(jī)制進(jìn)行內(nèi)存管理，是因?yàn)椴l(fā)進(jìn)程每個(gè)進(jìn)程都擁有完整且相互獨(dú)立的內(nèi)存空間。那么實(shí)際上內(nèi)存是昂貴的，即使內(nèi)存成本遠(yuǎn)比從前便宜，但是應(yīng)用進(jìn)程對(duì)內(nèi)存的尋求仍然無(wú)法在實(shí)際硬件中，設(shè)計(jì)足夠大的內(nèi)存實(shí)現(xiàn)直接訪問，即使能滿足，CPU 利用地址總線直接尋址空間也是有限的。

內(nèi)存管理實(shí)現(xiàn)總體策略從操作系統(tǒng)角度來看，虛擬內(nèi)存的基本抽象由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完成：

處理器內(nèi)存空間不必與真實(shí)的所連接的物理內(nèi)存空間一致。

當(dāng)應(yīng)用程序請(qǐng)求訪問內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)將虛擬內(nèi)存地址翻譯成物理內(nèi)存地址，然后完成訪問。

從應(yīng)用程序角度來看，應(yīng)用程序（往往是進(jìn)程）所使用的地址是虛擬內(nèi)存地址，從概念上就如下示意圖所示，MMU 在操作系統(tǒng)的控制下負(fù)責(zé)將虛擬內(nèi)存實(shí)際翻譯成物理內(nèi)存。

從而這樣的機(jī)制，虛擬內(nèi)存使得應(yīng)用程序不用將其全部?jī)?nèi)容都一次性駐留在內(nèi)存中執(zhí)行：

節(jié)省內(nèi)存：很多應(yīng)用程序都不必讓其全部?jī)?nèi)容一次性加載駐留在內(nèi)存中，那么這樣的好處是顯而易見，即使硬件系統(tǒng)配置多大的內(nèi)存，內(nèi)存在系統(tǒng)中仍然是最為珍貴的資源。所以這種技術(shù)節(jié)省內(nèi)存的好處是顯而易見的。

使得應(yīng)用程序以及操作系統(tǒng)更具靈活性。

操作系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)行為靈活的分配內(nèi)存給應(yīng)用程序。

使得應(yīng)用程序可以使用比實(shí)際物理內(nèi)存多或少的內(nèi)存空間。

MMU 以及 TLBMMU（Memory Management Unit）內(nèi)存管理單元：

一種硬件電路單元負(fù)責(zé)將虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換為物理內(nèi)存地址

所有的內(nèi)存訪問都將通過 MMU 進(jìn)行轉(zhuǎn)換，除非沒有使能 MMU。

TLB（Translation Lookaside Bu?er）轉(zhuǎn)譯后備緩沖器： 本質(zhì)上是 MMU 用于虛擬地址到物理地址轉(zhuǎn)換表的緩存

這樣一種架構(gòu)，其最終運(yùn)行時(shí)目的，是為主要滿足下面這樣運(yùn)行需求：

多進(jìn)程并發(fā)同時(shí)并發(fā)運(yùn)行在實(shí)際物理內(nèi)存空間中，而 MMU 充當(dāng)了一個(gè)至關(guān)重要的虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的橋梁作用。

那么，這種框架具體從高層級(jí)的概念上是怎么做到的呢？事實(shí)上，是將物理內(nèi)存采用分片管理的策略來實(shí)現(xiàn)的，那么，從實(shí)現(xiàn)的角度將有兩種可選的策略：

固定大小分區(qū)機(jī)制

可變大小分區(qū)機(jī)制

固定大小區(qū)片機(jī)制通過這樣一種概念上的策略，將物理內(nèi)存分成固定等大小的片：

每一個(gè)片提供一個(gè)基地址

實(shí)際尋址，物理地址=某片基址+虛擬地址

片基址由操作系統(tǒng)在進(jìn)程動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)加載

這種策略實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)易，切換快速。但是該策略也帶來明顯的劣勢(shì)：

內(nèi)部碎片：一個(gè)進(jìn)程不使用的分區(qū)中的內(nèi)存對(duì)其他進(jìn)程而言無(wú)法使用

一種分區(qū)大小并不能滿足所有應(yīng)用進(jìn)程所需。

可變大小分區(qū)機(jī)制內(nèi)存被劃分為可變大小的區(qū)塊進(jìn)行映射交換管理：

需要提供基址以及可變大小邊界，可變大小邊界用于越界保護(hù)。

實(shí)際尋址，物理地址=某片基址+虛擬地址

那么這種策略其優(yōu)勢(shì)在于沒有內(nèi)部?jī)?nèi)存碎片，分配剛好夠進(jìn)程所需的大小。但是劣勢(shì)在于，在加載和卸載的動(dòng)態(tài)過程中會(huì)產(chǎn)生碎片。

分頁(yè)機(jī)制分頁(yè)機(jī)制采用在虛擬內(nèi)存空間以及物理內(nèi)存空間都使用固定大小的分區(qū)進(jìn)行映射管理。

從應(yīng)用程序（進(jìn)程）角度看內(nèi)存是連續(xù)的 0-N 的分頁(yè)的虛擬地址空間。

物理內(nèi)存角度看，內(nèi)存頁(yè)是分散在整個(gè)物理存儲(chǔ)中

這種映射關(guān)系對(duì)應(yīng)用程序不可見，隱藏了實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

分頁(yè)機(jī)制是如何尋址的呢？這里介紹的設(shè)計(jì)理念，具體的處理器實(shí)現(xiàn)各有細(xì)微差異：

虛擬地址包含了兩個(gè)部分： 虛擬頁(yè)序號(hào) VPN（virtual paging number）以及偏移量

虛擬頁(yè)序號(hào) VPN是 頁(yè)表（Page Table）的索引

頁(yè)表（Page Table）維護(hù)了頁(yè)框號(hào)（Page frame number PFN）

物理地址由 PFN：：Offset進(jìn)行解析。

舉個(gè)栗子，如下圖所示：

還沒有查到具體的物理地址，憋急，再看一下完整解析示例：

如何管理頁(yè)表對(duì)于 32 位地址空間而言，假定 4K 為分頁(yè)大小，則頁(yè)表的大小為 100MB，這對(duì)于頁(yè)表的查詢而言是一個(gè)很大的開銷。那么如何減小這種開銷呢？實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，事實(shí)上只需要映射實(shí)際使用的很小一部分地址空間。那么在一級(jí)頁(yè)機(jī)制基礎(chǔ)上，延伸出多級(jí)頁(yè)表機(jī)制。

以二級(jí)分頁(yè)機(jī)制為例：

單級(jí)頁(yè)表已然有不小的開銷，查詢頁(yè)表以及取數(shù)，而二級(jí)分頁(yè)機(jī)制，因?yàn)樾枰樵儍纱雾?yè)表，則將這種開銷再加一倍。那么如何提高效率呢？其實(shí)前面提到一個(gè)概念一直還沒有深入描述 TLB，將翻譯工作由硬件緩存 cache，這就是 TLB 存在的意義。

TLB 將虛擬頁(yè)翻譯成 PTE，這個(gè)工作可在單周期指令完成。

TLB 由硬件實(shí)現(xiàn)

完全關(guān)聯(lián)緩存（并行查找所有條目）

緩存索引是虛擬頁(yè)碼

緩存內(nèi)容是 PTE

則由 PTE+offset，可直接計(jì)算出物理地址

TLB 加載誰(shuí)負(fù)責(zé)加載 TLB 呢？這里可供選擇的有兩種策略：

由操作系統(tǒng)加載，操作系統(tǒng)找到對(duì)應(yīng)的 PTE，而后加載到 TLB。格式比較靈活。

MMU 硬件負(fù)責(zé)，由操作系統(tǒng)維護(hù)頁(yè)表，MMU 直接訪問頁(yè)表，頁(yè)表格式嚴(yán)格依賴硬件設(shè)計(jì)格式。

總結(jié)一下從計(jì)算機(jī)大致發(fā)展歷程來了解內(nèi)存管理的大致發(fā)展策略，如何衍生出 MMU，以及固定分片管理、可變分片管理等不同機(jī)制的差異，最后衍生出單級(jí)分頁(yè)管理機(jī)制、多級(jí)分頁(yè)管理機(jī)制、TLB 的作用。從概念上相對(duì)比較易懂的角度描述了 MMU 的誕生、機(jī)制，而忽略了處理器的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。作為從概念上更深入的理解 MMU 的工作機(jī)理的角度，還是不失為一篇淺顯易懂的文章。責(zé)任編輯：haq