20145306《信息安全系统设计基础》第14周学习总结

教材学习内容总结

物理和虚拟寻址

物理寻址：计算机系统的主存被组织成一个由M个连续的字节大小的单元组成的数组。每字节都有一个唯一的物理地址PA。第一个字节的地址为0，接下来的字节的地址为1，再下一个为2，依此类推。给定这种简单的结构，CPU访问存储器的最自然的方式就是使用物理地址，我们把这种方式称为物理寻址。

虚拟寻址：使用虚拟寻址时，CPU通过生成一个虚拟地址来访问主存，这个虚拟地址在被送到存储器之前先转换成适当的物理地址。将一个虚拟地址转换为物理地址的任务叫做地址翻译。

CPU芯片上叫做存储器管理单元的专用硬件，利用存放在主存中的查询表来动态翻译虚拟地址，该表的内容是由操作系统管理。

地址空间

1.线性地址空间：地址空间中的整数是连续的一个非整数地址的有序集合：{0,1,2,...}。

2.虚拟地址空间：在一个带虚拟存储器的系统中，CPU从一个有N = 2 ^ n个地址空间中生成虚拟地址。{0,1,2,3,...,N-1}。

3.一个地址空间的大小是由表示最大地址所需要的倍数来描述的。

4.虚拟存储器的基本思想：允许每个数据对象有多个独立的地址，其中每个地址都选自一个不同的地址空间。

虚拟存储器作为缓存的工具

每个字节都有一个唯一的虚拟地址
每个虚拟页大小为P=2^p字节
在任意时刻，虚拟页面的集合都被分为三个不相交的子集：
  未分配的：VM系统还没分配/创建的页，不占用任何磁盘空间
  缓存的：当前缓存在物理存储器中的已分配页
  未缓存的：没有缓存在物理存储器中的已分配页
物理存储器被分割为物理页（PP），也叫页帧，大小也为P字节

DRAM缓存的组织结构

DRAM缓存来表示虚拟存储器系统的缓存
DRAM缓存的组织结构完全是由巨大的不命中开销驱动的
DRAM缓存总是使用写回，而不是直写
页表：是一个数据结构，存放在物理存储器中，将虚拟页映射到物理页，就是一个页表条目的数组
页表就是一个页表条目的数组
PTE：由一个有效位和一个n位地址字段组成的
DRAM缓存不命中称为缺页
在磁盘和存储器之间传送页的活动叫做交换或者页面调度
颠簸：工作集大小超出了物理存储器的大小

虚拟存储器作为存储器管理工具

多个虚拟页面可以映射到同一个共享物理页面上
简化链接：独立的地址空间允许每个进程的存储器映像使用相同的基本格式，而不管代码和数据实际存放在物理存储器的何处
简化加载：虚拟存储器使得容易想存储器中加载可执行文件和共享对象文件
简化共享：独立地址空间为操作系统提供了一个管理用户进程和操作系统自身之间共享的一致机制
简化存储器分配：虚拟存储器为向用户进程提供一个简单的分配额外存储器的机制

虚拟存储器作为存储器保护的工具

PTE的三个许可位：
  SUP：表示进程是否必须运行在内核模式下才能访问该页
  READ：读权限
  WRITE：写权限

地址翻译

页面命中时，CPU执行步骤：

第一步：处理器生成一个虚拟地址，并把它传送给MMU
第二步：MMU生成PTE地址，并从高速缓存/主存请求得到他
第三步：高速缓存/主存向MMU返回PTE
第四步：MMU构造物理地址，并把它传送给高速缓存/主存
第五步：高速缓存/主存返回所请求的数据字给处理器

处理缺页，要求硬件和操作系统协作完成

第一步到第三步同上
第四步：PTE中的有效位是0，MMU触发异常，传递CPU中的控制到操作系统内核中的缺页异常处理程序
第五步：程序确定物理存储器中的牺牲页，如果页面被修改，则换出到磁盘
第六步：程序页面调入新的页面，并更新存储器中的PTE
第七步：程序返回到原来的进程，再次执行导致缺页的指令

结合高速缓存和虚拟存储器

主要的思路：地址翻译发生在高速缓存查找之前

利用TLB加速地址翻译

翻译后备缓冲器TLB：是一个小的，虚拟寻址的缓存，其中每一行都保存着一个由单个PTE组成的块，具有高度的相连性

用来压缩页表的常用方法是使用层次结构的页表，这种方式从两个方面减少了存储器要求：

第一点：节约，如果一级页表中的PTE是空的，那么相应的二级页表就不会存在
第二点：减压，只有一级页表存在主存中，只有经常使用的二级页表才需要缓存在主存中

 Linux虚拟存储器系统

1.Linux虚拟存储器区域

每个存在的虚拟页存在某个区域中，而不属于某个区域的虚拟页是不存在的，并且不能被进程引用。

2.一个具体区域结构包含的字段：

（1）vm_start：指向这个区域的起始处。
（2）vm_end：指向这个区域的结束处。
（3）vm_prot：描述这个区域的内包含的所有页的读写许可权限。
（4）vm_flags：描述这个区域内页面是与其他进程共享的，还是这个进程私有的(还描述了其他一些信息)。
（5）vm_next：指向链表中下一个区域结构。

存储器映射

1.再看共享对象

（1）共享区域：

一个映射到共享对象的虚拟存储器区域叫做共享区域。

共享对象的关键点在于即使对象被映射到了多个共享区域，物理存储器也只需要存放共享对象的一个拷贝。一个共享对象物理页面不一定是连续的。

（2）私有对象是使用写时拷贝巧妙技术被映射到虚拟存储器中的。

2.再看fork函数

当fork函数被当前进程调用时，内核为新进程创建各种数据结构，并分配给它一个唯一的PID。

3.再看execve函数

execve函数在当前进程中加载并运行包含在可执行目标文件a.out中的程序，用a.out程序有效地替代了当前程序。

4.使用mmap函数的用户级存储器映射

mmap函数要求内核创建一个新的虚拟存储器区域，最好是从地址start开始的一个区域，并将文件描述符fd指定的对象的一个连续的片映射到这个新区域。

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