虚拟存储器

分别实现实模式、分段式、段页式三种内存的地址转换与数据加载功能。

地址转换
- 在MMU类中，实现三个地址转换的方法，将逻辑地址转换为线性地址再转换为物理地址。
- private String toRealLinearAddr(String logicAddr)
- private String toSegLinearAddr(String logicAddr)
- private String toPagePhysicalAddr(String linearAddr)
数据加载
- 在Memory类中，实现三个数据加载方法。
- public void real_load(String pAddr, int len)
- public void seg_load(int segIndex)
- public void page_load(int vPageNo)
融合cache与TLB
- 将cache与TLB融合到MMU中。

逻辑地址：指令中给出的地址， 48 位(16位段寄存器 + 32位段内偏移量)。
- CPU在运行指令时，如果想要访问内存，它并不是用直接使用内存的地址访问，而是给出一个由 16 位段寄存器和 32 位段内偏移量拼起来的 48 位的逻辑地址。
  - 比如，如果CPU想知道当前指令的地址，他给出的逻辑地址应该是(CS:EIP)。
  - 其中，CS是 16 位代码段寄存器，EIP是 32 位指令指针寄存器（也就是程序计数器PC）。
线性地址：逻辑地址到物理地址的中间层， 32 位。
- 如果没有启用分页机制，那么线性地址就等于物理地址。
- 如果启用了分页机制，那么线性地址需要通过再一次变换才能得到物理地址。
物理地址：内存中的地址， 32 位。

实模式

Memory的`real_load`方法

SEGMENT和PAGE均为false时，为实模式
变量：pAddr与len

直接用地址和长度从磁盘disk.read加载data
把data再写进内存(注意实模式下，内存地址对应磁盘地址，即pAddr)

System.arraycopy(data, 0, memory, start, len);
- 将原数组data从起始位置0，复制到目标数组memory的start位置开始，复制的元素数量为len

/**
 * 实模式下从磁盘中加载数据
 *
 * @param pAddr 实模式下，内存地址对应磁盘地址
 * @param len   数据段长度
 */
public void real_load(String pAddr, int len) {
    byte[] data = disk.read(pAddr, len);//从磁盘中读取数据(方法在Disk.java中）
    //更新数据
    int start = Integer.parseInt(Transformer.binaryToInt(pAddr));//start,为内存地址
    System.arraycopy(data, 0, memory, start, len);
}

MMU

``toRealLinearAddr`方法: 逻辑地址转线性地址。
- 段寄存器左移4位 + 段内偏移量的低16位再补齐32位

截取前16位段寄存器；再截取offset低16位（实际截取32位），转成int。
- 在实际计算中，我们把高 16 位看作基址，低 32 位看作偏移量（实际有用的只有低 16 位）
将段寄存器和偏移量化为整数
段寄存器左移4位
- 可以直接使用Java中的<<运算符将整数左移4位
两个数字相加，转成二进制，高位补0到32位

/**
    * 实模式下的逻辑地址转线性地址
    *
    * @param logicAddr 48位 = 16位段寄存器 + 32位offset，计算公式为：①(16-bits段寄存器左移4位 + offset的低16-bits) = 20-bits物理地址 ②高位补0到32-bits
    * @return 32-bits实模式线性地址
    */
   private String toRealLinearAddr(String logicAddr) {
       String segReg = logicAddr.substring(0, 16);//取逻辑地址的前16位作为段寄存器
       String offset = logicAddr.substring(16, 48);//取逻辑地址的后32位作为偏移量

       //将段寄存器和偏移量化为整数
       int segRegInt = Integer.parseInt(Transformer.binaryToInt(segReg));
       int offsetLow16 = Integer.parseInt(Transformer.binaryToInt(offset));

       //计算20位物理地址
       int physicalAddr = (segRegInt << 4) + offsetLow16;

       // 将20位物理地址转换为32位
       String linearAddr = String.format("%32s", Integer.toBinaryString(physicalAddr)).replace(' ', '0');//转换为32位，并用0填充高位

       return linearAddr;
   }

分段式

Memory类：实现seg_load段加载方法

从磁盘上加载该段的数据到内存。
- 如何从磁盘上读取一整段呢？你应该使用段基址作为访问磁盘的地址，用**段限长（即段大小）**作为读取的长度。
- 至于段基址和段限长是多少，参考我们3.2.3的规定。
  - private char[] base = new char[32]; // 32位基地址
  - private char[] limit = new char[20]; // 20位限长
- 那么加载过来之后写到内存的哪里呢？由于分段式下每个段大小只有1MB，不会超出内存大小，所以我们默认把数据放在物理地址为 0 的地方。
除了加载数据，你还需要填好全局描述符表GDT，需要填入的内容还是按照3.2.3的规定进行填写。下面为该规定的原文。
- 每个由MMU装载进入GDT的段，其段基址均为全 0 ，其限长均为全 1 ，未开启分页时粒度为false，开启分页后粒度为true。

变量：segIndex段索引

获取段描述符：
- (有方法)通过 segIndex 获取对应的段描述符 segDes
获取段基址和段限长：
- 段基址：32位全0
- 段限长：20位全1
判断是否开启分页
- 如果未开启分页模式（PAGE 为 false），
- 则从磁盘中读取数据，并将数据写入内存的物理地址为0的地方。
- 注意，段限长是从0开始计数，因此读取长度需要加1。
更新段描述符：
- 基址
- 限长
- 有效位：validBit 设置为 true 表示段已在内存中
- 粒度：granularity 设置为 PAGE（未开启分页时粒度为false，开启分页后粒度为true）

/**
 * 段式存储模式下，从磁盘中加载数据.段页式存储中，不用从磁盘中加载数据
 *
 * @param segIndex 段索引
 */
//在段页式存储管理下，从磁盘加载数据应该是以页为单位的，不再是以段为单位。
// 开启分页之后，一个段应该是4GB。因此开启分页之后，seg_load应该跳过加载数据这一步，它的作用在开启分页之后仅仅是填写GDT，加载数据的任务应该交给page_load来完成。

public void seg_load(int segIndex) {
    //获取段描述符
    SegDescriptor segDes = getSegDescriptor(segIndex);
   //获取段基址(访问磁盘的地址)
    String segBase = "00000000000000000000000000000000"; // 32位基址，全0
    int baseInt = Integer.parseInt(Transformer.binaryToInt(segBase));
    //获取段限长(读取的长度)
    String limit = "11111111111111111111"; // 20位限长，全1
    int limitInt = Integer.parseInt(Transformer.binaryToInt(limit));

    if(!PAGE) {//未开启分页,段式存储，要从磁盘中加载数据，并且写到内存的物理地址为0的地方
        //从磁盘中加载数据
        byte[] data = disk.read(segBase, limitInt + 1);//注：段限长是一个从 0 开始的计数，因此需要+1才能表示实际的字节数
        //更新数据,写到内存的物理地址(destPost)为0的地方
        System.arraycopy(data, 0, memory, 0, limitInt);
    }

    //填好全局描述符表GDT
    segDes.base = segBase.toCharArray();
    segDes.limit = limit.toCharArray();
    segDes.validBit = true;//有效位,为true表示被占用（段已在内存中）
    segDes.granularity = PAGE;
}

MMU类：toSegLinearAddr 逻辑地址转线性地址。

在分段式下，逻辑地址转线性地址应该要查全局描述符表GDT，按照2.3.4的流程进行计算。
- 48 位的逻辑地址包含 16 位的段选择符和 32 位的段内偏移量。
- MMU首先通过段选择符内的 13 位索引值，
- 从段描述符表中找到对应的段描述符，从中取出 32 位的基地址，与逻辑地址中 32 位的段内偏移量相加，就得到 32 位线性地址。
注意，不要以为可以偷懒直接把逻辑地址的前 16 位去掉

直接调用已有的函数获得段索引segIndex
根据段索引获得段基址，也是直接调用函数。将段基址转成int
截取32位段内偏移offset，转成int
段基址与段内偏移相加，转成32位二进制，得到线性地址

/**
    * 分段模式下的逻辑地址转线性地址
    *
    * @param logicAddr 48位 = 16位段选择符(高13位index选择段表项) + 32位段内偏移
    * @return 32-bits 线性地址
    */

   private String toSegLinearAddr(String logicAddr) {
       //获取段索引(高13位index选择段表项)
       int segIndex = getSegIndex(logicAddr);
       //从全局描述符表GDT中获取段描述符中的段基址base
       String segBaseAddr = String.valueOf(Memory.getMemory().getBaseOfSegDes(segIndex));
       //提取段内偏移（32位）
       String offset = logicAddr.substring(16, 48);
       //将段基址和段内偏移转换为整数
       int segBaseAddrInt = Integer.parseInt(Transformer.binaryToInt(segBaseAddr));
       int offsetInt = Integer.parseInt(Transformer.binaryToInt(offset));
       //计算线性地址
       int linearAddr = segBaseAddrInt + offsetInt;
       //将线性地址转换为32位
       String linearAddrStr = String.format("%32s", Integer.toBinaryString(linearAddr)).replace(' ', '0');
       return linearAddrStr;
   }

段页式

Memory类：page_load页加载方法。

从磁盘上加载该页数据到内存。
- 如何在磁盘上读取该页数据呢？你应该使用该虚页的起始地址作为作为访问磁盘的地址，用页大小作为读取的长度。
- 至于该虚页的起始地址是多少，可以直接根据虚页号得到。
- 那么加载过来之后写到内存的哪里呢？这就需要你找出一个空闲的物理页框然后放下去啦。
除了加载数据，你还需要填好页表，如果你使用有效位数组的话还需要填好有效位数组。

变量：vPageNo 虚拟页号

1. 加载页数据

使用该虚页的起始地址作为访问磁盘的地址，起始地址=虚页号×一页大小
由于一页的大小是4KB，需要把虚拟页号乘以2的12次方，
- 即转为二进制作为地址，二进制后面加12个0
从磁盘读出一页数据data。（长度为PAGE_SIZE_B页长）

2. 写入内存

寻找空闲内存的物理页框——遍历valid找false。

范围0 ~ pageValid.length，
- 当pageValid[i]为false，说明不在内存中，即空闲，将其改为占用，并记录页框号frameNO。

接着将数据装入页框。将页框号×页大小，获得物理地址，将数据写入内存。（长度为PAGE_SIZE_B页长）

3. 填页表

由虚拟页号获得该页（getPageItem(vPageNo)），

将pageFrame设为页框号二进制的低20位转成的数组（物理页框号）
将isInMem设为true。（装入了内存）

填好有效位（刚刚占用的设为true）

/**
 * 段页式存储下，从磁盘中加载数据
 * 不考虑16MB内存用满的情况
 *
 * @param vPageNo 虚拟页号
 */
public void page_load(int vPageNo) {
    //虚拟页号的起始地址
    String vPageStartAddr = Transformer.intToBinary(String.valueOf(vPageNo)).substring(12) + "000000000000";
    //页大小作为读取的长度
    int size = PAGE_SIZE_B;
    //从磁盘中加载数据
    byte[] data = disk.read(vPageStartAddr, size);

    //找出一个空闲的物理页框
    int freePageFrame = -1;
    for (int i = 0; i<pageValid.length; i++){
        if (!pageValid[i]){//如果该页不在内存中,即valid=false
            freePageFrame = i;//找到空闲的物理页框i
            break;
        }
    }
    if (freePageFrame == -1){//无空闲
        throw new RuntimeException("No free page frame");
    }

    //数据写到内存的物理地址为freePageFrame的地方
    int phyAddr = freePageFrame * PAGE_SIZE_B;//物理地址，即物理页框号*页大小
    System.arraycopy(data, 0, memory, phyAddr, size);

    //填好页表
    PageItem pageItem = getPageItem(vPageNo);
    pageItem.pageFrame = Transformer.intToBinary(String.valueOf(freePageFrame)).substring(12).toCharArray();//物理页框号
    pageItem.isInMem = true;//装入位

    //填好有效位数组
    pageValid[freePageFrame] = true;
}

修改seg_load方法。

因此开启分页之后，seg_load应该跳过加载数据这一步，它的作用在开启分页之后仅仅是填写GDT，加载数据的任务应该交给page_load来完成。
即if(!PAGE) {加载数据}

MMU类：toPagePhysicalAddr页级地址转换方法

在段页式下，线性地址转物理地址需要查页表，然后进行虚拟页号到物理页号的替换，具体流程可以参考课件。

从线性地址中提取前 20 位作为虚拟页号，后 12 位作为页内偏移。
物理页号的获取（TLB是否可用）：都是使用 getFrameOfPage 函数，区别在于类不同
1. 如果开启了tlb，TLB
  - 调用tlb类的函数，由虚拟页号获取
2. 未开启，内存
  - 调用Memory类的函数，由虚拟页号获取
最后，将物理页号与页内偏移拼接获得物理地址。

/**
 * 段页式下的线性地址转物理地址
 *
 * @param linearAddr 32位
 * @return 32-bits 物理地址
 */
private String toPagePhysicalAddr(String linearAddr) {
    // TODO
    //获取虚拟页号（线性地址的高20位）+获取页内偏移（线性地址的低12位）
    String vPageNo = linearAddr.substring(0, 20);
    String offset = linearAddr.substring(20);
    int vPageNoInt = Integer.parseInt(Transformer.binaryToInt(vPageNo));
    //查页表，获取物理页号
    char[] pageFrame;
    if(TLB.isAvailable){
        //如果TLB可用，从TLB中获取物理页号
        pageFrame = TLB.getTLB().getFrameOfPage(vPageNoInt);
    }else {
        //如果TLB不可用，从内存中获取物理页号
        pageFrame = Memory.getMemory().getFrameOfPage(vPageNoInt);
    }
    String pageFrameStr = String.valueOf(pageFrame);
    //将物理页号和页内偏移拼接为物理地址
    String physicalAddr = pageFrameStr + offset;

    return physicalAddr;
    // TODO: add tlb here
}

4. cache与TLB的融合

a. 将cache融合进MMU中

这一步相对简单。需要注意，由于cache是memory的缓存，所以任何涉及到访问主存数据的地方都要添加对cache的调用。
只有两个标了todo的地方需要改，MMU类的read和write。直接加入当cache有效时，通过cache读/写即可。

public byte[] read(String logicAddr, int length) {
    String physicalAddr = addressTranslation(logicAddr, length);
    // TODO: add cache here
    if (Cache.isAvailable) {//如果cache可用
        return cache.read(physicalAddr, length);//从cache中读取数据
    }
    //如果cache不可用,直接从内存中读取数据
    return memory.read(physicalAddr, length);
}

public void write(String logicAddr, int length, byte[] data) {
    String physicalAddr = addressTranslation(logicAddr, length);
    // TODO: add cache here
    if (Cache.isAvailable) {//如果cache可用
        cache.write(physicalAddr, length, data);//将数据写入cache
    }
    //无论cache是否可用，都要将数据写入内存
    memory.write(physicalAddr, length, data);
}

b. 将TLB融合进MMU中

MMU类addressTranslation函数。在标出的地方判断
- 若TLB有效：若tlb中没有该页且内存中没有该页，缺页中断
  - 内存从磁盘加载该页的数据。
  - 并且将该页写入tlb。tlb.write(i);
- 若TLB无效：直接判断内存中有没有该页（应该是有代码的）

// TODO: add tlb here
//1. 启用TLB之后，判断是否缺页的工作应该首先交给TLB来完成。
//2. 如果发生缺页，page_load方法会进行填页表，填页表之后不要忘记填TLB。
if (TLB.isAvailable){
    if(!tlb.isValidPage(i)){//如果TLB中不存在该页
    // 缺页中断，该页不在内存中，内存从磁盘加载该页的数据
        memory.page_load(i);//从磁盘中加载数据,并填写页表
        tlb.write(i);//填写TLB
    }
}else if (!memory.isValidPage(i)) {
    // 缺页中断，该页不在内存中，内存从磁盘加载该页的数据
    memory.page_load(i);
}

toPagePhysicalAddr方法，上面讲过了。

if(TLB.isAvailable){
    //如果TLB可用，从TLB中获取物理页号
    pageFrame = TLB.getTLB().getFrameOfPage(vPageNoInt);
}else {
    //如果TLB不可用，从内存中获取物理页号
    pageFrame = Memory.getMemory().getFrameOfPage(vPageNoInt);
}

6-虚拟存储器

Universe Hamster

虚拟存储器

实模式

Memory的`real_load`方法

MMU

分段式

Memory类：实现seg_load段加载方法

MMU类：toSegLinearAddr 逻辑地址转线性地址。

段页式

Memory类：page_load页加载方法。

1. 加载页数据

2. 写入内存

3. 填页表

修改seg_load方法。

MMU类：toPagePhysicalAddr页级地址转换方法

4. cache与TLB的融合

a. 将cache融合进MMU中

b. 将TLB融合进MMU中

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实模式

Memory的real_load方法

MMU

分段式

Memory类：实现seg_load段加载方法

MMU类：​​​​toSegLinearAddr​​​​ 逻辑地址转线性地址。

段页式

Memory类：page_load页加载方法。

1. 加载页数据

2. 写入内存

3. 填页表

修改seg_load方法。

MMU类：toPagePhysicalAddr页级地址转换方法

4. cache与TLB的融合

a. 将cache融合进MMU中

b. 将TLB融合进MMU中

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Memory的`real_load`方法

MMU类：toSegLinearAddr 逻辑地址转线性地址。