• 內存管理單元

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    內存管理單元

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    內存管理單元 (MMU),有時稱為分頁內存管理單元 (PMMU),是一種計算機硬件單元,所有內存引用都通過自身傳遞,主要執行虛擬內存地址到物理地址的轉換。

    MMU 有效地執行虛擬內存管理,同時處理內存保護、高速緩存控制、總線仲裁以及在更簡單的計算機體系結構(尤其是 8 位系統)中的存儲體切換。

    概覽

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    現代 MMU 通常將虛擬地址空間(處理器使用的地址范圍)劃分為頁面,每個頁面的大小為 2 的冪,通常為幾千字節,但它們可能更大。 地址的最低位(頁面內的偏移量)保持不變。 高地址位是虛擬頁碼。

    頁表條目

    大多數 MMU 使用稱為頁表的內存中項目表,每頁包含一個頁表條目 (PTE),以將虛擬頁碼映射到主內存中的物理頁碼。 PTE 的關聯緩存稱為轉換后備緩沖區 (TLB),用于避免每次映射虛擬地址時都必須訪問主內存。 其他 MMU 可能有一個私有的內存數組或寄存器,用于保存一組頁表條目。 物理頁號與頁偏移量結合起來給出完整的物理地址。

    PTE 還可能包含有關頁面是否已被寫入(臟位)、上次使用時間(訪問位,用于最近最少使用 (LRU) 頁面替換算法)、進程類型(用戶模式)等信息 或主管模式)可以讀取和寫入它,以及它是否應該被緩存。

    有時,PTE 禁止訪問虛擬頁面,可能是因為沒有為該虛擬頁面分配物理隨機存取存儲器 (RAM)。 在這種情況下,MMU 向 CPU 發出頁面錯誤信號。 操作系統 (OS) 然后處理這種情況,可能是通過嘗試找到空閑的 RAM 幀并設置新的 PTE 以將其映射到請求的虛擬地址。 如果沒有可用的 RAM,則可能需要使用某種替換算法選擇現有頁面(稱為受害者),并將其保存到磁盤(稱為分頁的過程)。 對于某些 MMU,也可能缺少 PTE,在這種情況下,操作系統將不得不為新映射釋放一個。

    MMU 還可能在非法或不存在的內存訪問時分別生成非法訪問錯誤條件或無效頁面錯誤,從而在操作系統處理時導致分段錯誤或總線錯誤條件。

    好處

    在某些情況下,頁面錯誤可能表明存在軟件錯誤,這可以通過使用內存保護作為 MMU 的主要優點之一來防止:操作系統可以使用它來防止錯誤程序通過不允許訪問特定程序的內存來防止錯誤程序 不應該訪問。 通常,操作系統會為每個程序分配其自己的虛擬地址空間。

    MMU 還可以緩解內存碎片問題。 分配和釋放內存塊后,空閑內存可能會變得碎片化(不連續),因此xxx的連續空閑內存塊可能比總量小得多。 使用虛擬內存,可以將連續范圍的虛擬地址映射到幾個不連續的物理內存塊; 這種非連續分配是分頁的好處之一。

    在一些早期的微處理器設計中,內存管理由單獨的集成電路執行,例如 VLSI Technology VI475 (1986)、與 Macintosh II 中的 Motorola 68020 CPU 一起使用的 Motorola 68851 (1984),或 Z8010 和 Z8015 (1985) 與 Zilog Z8000 系列處理器一起使用。 后來的微處理器(例如摩托羅拉 68030 和 Zilog Z280)將 MMU 和 CPU 放在同一個集成電路上,英特爾 80286 和后來的 x86 微處理器也是如此。

    雖然本文主要關注通常基于頁面的現代 MMU,但早期系統使用類似的基本限制尋址概念,并進一步發展為分段。 這些偶爾也會出現在現代建筑中。 x86 體系結構在 80286 中提供了分段而不是分頁,并且在 80386 和更高版本的處理器中同時提供了分頁和分段(盡管分段的使用在 64 位操作中不可用)。

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    例子

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    大多數現代系統將內存劃分為大小為 4-64 KB 的頁面,通常能夠使用所謂的 2 MB 或 1 GB 大小的大頁面(通常兩種變體都是可能的)。 頁面翻譯緩存在翻譯后備緩沖區 (TLB) 中。 當在 TLB 中找不到頁面轉換時,一些系統(主要是較舊的 RISC 設計)會陷入操作系統。 大多數系統使用基于硬件的遍歷器。 大多數系統允許禁用 MMU,但有些系統會在陷入操作系統代碼時禁用 MMU。

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    詞條目錄
    1. 內存管理單元
    2. 概覽
    3. 頁表條目
    4. 好處
    5. 例子

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