《Operating Systems: Three Easy Pieces》学习笔记(十一) 机制：地址转换

高效、灵活地虚拟化内存。需要一种基于硬件的地址转换（hardware-based address translation），简称为地址转换（address translation）。将指令中的虚拟（virtual）地址转换为数据实际存储的物理（physical）地址。

虚拟地址映射

用户进程在物理内存中并不是从 0 地址开始的

动态（基于硬件）重定位(dynamic relocation)

进程的虚拟地址都是从 0 开始的

进程中使用的内存引用都是虚拟地址（virtual address），硬件接下来将虚拟地址加上基址寄存器中的内容，得到物理地址（physical address），再发给内存系统。

还有个界限寄存器，用于限制进程地址空间范围，进程不能访问为超过该值限制的虚拟地址空间，比如限制 16KB，则不能访问 17KB 的内存，硬件应该阻止转换成物理地址

硬件支持：总结

动态重定位：硬件要求

硬件要求	解释
特权模式	需要，以防用户模式的进程执行特权操作
基址/界限寄存器	每个 CPU 需要一对寄存器来支持地址转换和界限检查
能够转换虚拟地址并检查它是否越界	电路来完成转换和检查界限，在这种情况下，非常简单
修改基址/界限寄存器的特权指令	在让用户程序运行之前，操作系统必须能够设置这些值，需要特权模式
注册异常处理程序的特权指令	操作系统必须能告诉硬件，如果异常发生，那么执行哪些代码，需要特权模式
能够触发异常	如果进程试图使用特权指令或越界的内存

操作系统的职责

• 进程创建时，操作系统从空闲列表（free list）找到位置分配内存空间，并标记为已用
• 进程终止时，操作系统需要回收内存到空闲列表

• 上下文切换时，需要保存/加载基址和界限寄存器。比如放在进程结构或进程控制块 PCB 中。

  当进程暂停时，操作系统可以切换其地址空间，只要分配新空间，拷贝，然后修改进程结构/PCB 里的基址寄存器就行

• 操作系统必须提供异常处理程序（exception handler），向硬件注册，当进程出现如越界访问等异常操作时，CPU 会执行这段异常处理程序，如终止该进程。

受限直接执行协议（动态重定位）:

操作系统@启动（内核模式）	硬件
初始化陷阱表
	记住以下地址： - 系统调用处理程序 - 时钟处理程序 - 非法内存处理程序 - 非常指令处理程序
开始中断时钟
	开始时钟，在 x ms 后中断
初始化进程表 初始化空闲列表
操作系统@运行（核心模式）	硬件	程序（用户模式）
为了启动进程 A： - 在进程表中分配条目 - 为进程分配内存 - 设置基址/界限寄存器(应该是写入进程结构) - 从陷阱返回（进入 A）
	恢复 A 的寄存器 转向用户模式 跳到 A（最初）的程序计数器
		进程 A 运行 - 获取指令
	转换虚拟地址并执行获取
		执行指令
	如果显式加载/保存 - 确保地址不越界 - 转换虚拟地址并执行 - 加载/保存
		……
	时钟中断 转向内核模式 跳到中断处理程序
处理陷阱 调用 switch()例程 - 将寄存器（A）保存到进程结构（A）（包括基址/界限） - 从进程结构（B）恢复寄存器（B）（包括基址/界限） 从陷阱返回（进入 B）
	恢复 B 的寄存器 转向用户模式 跳到 B 的程序计数器
		进程 B 运行 - 执行错误的加载
	加载越界 转向内核模式 跳到陷阱处理程序
处理本期报告 - 决定终止进程 B - 回收 B 的内存 - 移除 B 在进程表中的条目

参考

• Operating Systems: Three Easy Pieces 中文版