Ch15 Address Translation

在前面提到 Virtual address space 的概念後，本章要講解一個很重要的觀念—address translation。它的核心主題是介紹如何在作業系統中虛擬化記憶體（memory virtualization），並且讓應用程式以為自己擁有一整塊連續的記憶體區域，實際上這背後靠的是作業系統和硬體的合作。

基本觀念

• 每個程式都是用 virtual address
• 然而實際上資料是存在 Physical Address 中
• 中間的 address translation 是由 MMU 完成的

MMU（Memory Management Unit）

• 用來進行 memory address translation 的硬體
• 功能：

  有些功能會在後面的章節介紹

  • Address translation
  • Bounds Checking
    • 防止程式越界存取
  • Protection
    • 防止程式存取 OS 或其他程式的 memory
  • Paging
    • Virtual memory 與 Physical memory 不用連續
  • Cache
    • 使用 TLB（Translation Lookaside Buffer） 提高轉換速度
• Address translation 的方法
  • Base and Bounds：
    • 最簡單的方法
    • 將 Virtual memory 與 Physical memory 視為連續
  • Page Table：
    • 把 Physical memory address 分成一個個 page + offset
    • 利用查表找到 page 位置，再加上 offset
  • TLB：
    • 一個 cache –> 幫助 MMU 更快完成 address translation

Base and Bounds

最簡單的 memory virtualization 機制

• Base register：Virtual memory 對應 Physical address 開始的位置
• Bounds Register：Virtual memory 最大大小限制
  
• 計算方式：
  • Physical address = virtual address + base
  • 如果 virtual address >= bounds –> 觸發錯誤
• 問題：
  • 因為每個程式 address space 必須連續，容易浪費空間（Internal Fragmentation）
  • 如果 physical memory 有太多不連續的空間未使用，會造成 External Fragmentation

Fragmentation 問題

• Internal Fragmentation：Address space 內部太多剩餘的空間未被使用，並且無法被其他 process 使用
  
• External Fragmentation：系統中所有空間總和大於 process address space，但因為不連續而無法分配