# Miku Memory

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## 虛擬記憶體(Virtual Memory)

前面說到了Cache System後面還有一個Virtual Memory，Virtual Memory是利用硬碟支援Main Memory的技術。比如說我們做了需要很多Memory的事情，像是Chrome開了很多分頁或是開了很多APP，8GB或是16GB的Main Memory有時候會塞不下，所以我們就需要安全且有效率的方法實行，否則電腦將無法正常運作。

## 虛擬位址(Virtual Address)

在支援Virtual Memory的電腦中，處理器會產生一個Virtual Address，並且藉由硬體及軟體轉譯程Physical Address。

也就是說電腦會告訴你東西的編號，要去某個地方詢問才能得知東西的真正位置在哪個裝置的哪個位置。

## Page Table

不同於Cache System的單位名稱Block，Virtual Memory的單位稱為Page，如果要求的page不在Main Memory，則稱為page fault。

因為記憶體跟硬碟的存取速度有明顯的落差，所以Virtual Memory注重的是減少page fault，通常採用Fully Associative，並且也會使用教聰明的演算法更換page。

我們透過Page Table儲存Virtual Address，並將此表存在Main Memory中，Page Table架構如下：


透過page table可以找到phsical page number，並且有一個valid bit，如果是1代表該page在Main Memory中，反之則在disk中，並且稱為page fault。因為將page放在Main Memory中程式才能正常執行。

## Reference Bit & Dirty Bit

為了更好的演算法決定哪個page要被替換掉，我們需要加上一些資訊。Reference bit就是拿來檢測該page多久沒有被使用到了，不過因為LRU成本較高，我們使用的只是類似LRU的作法而已。

因為寫回硬碟相當花時間，所以我們又增加了一個bit來確認該page有沒有被更動，有發生改動才花時間寫回硬碟。

增加了這兩種bit，在加上Main Memory還有disk的圖形就會如下圖所示：


如果存取到不在Main Memory(Physical Memory)中的就代表page fault，此時要在disk才能翻到。

可以注意到上面還有一個TLB，馬上就來說說他是什麼。

## TLB

我們凡是都會希望再快一點，page的存取一樣有區域性，所以現在用到的page很可能等等又要用到，相較於現在page table放在Main Memory中，如果我們能另外用一個硬體當作一個特別的page table，速度又可以提昇許多。

TLB就像是page table的cache，可以更快速的取得某些physical address，如果這邊沒有找到再去page table找，所以通常TLB不會太大，以免花在TLB的時間太多。

## Miss種類

前面提到如果需求的資料不再較為快速的那一層稱為miss，不過miss還可以分成三個類型：

|名稱|原因|
|-|-|
|強迫性失誤(Compulsory misses)|第一次使用的區塊必定不在快速的那一層中，所以必定發生失誤，也稱為冷開機失誤(cold-start misses)。|
|容量性失誤(Capacity misses)|程式執行時如果容量不足以包含所有需要的區塊時，區塊會不斷被取代。|
|衝突性失誤(Conflict misses)|在Set Associative以及Direct Mapped中，當許多區塊撞到同一個entry中，導致其不斷遭替換。|

既然知道了miss的原因，我們就可以著手改善：Conflict misses可以透過增加關聯度降低，不過可能造成讀取速度變慢；Capacity misses可以透過加大容量，不過可能導致整體效能降低；Compulsory misses可以增加區塊大小，不過會造成miss penalty增加。

各種作法都會有優缺點，最後該怎麼做需要不斷的實驗，才能找出對當下最有幫助的作法。

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|[Multilevel Cache](https://hackmd.io/@dZfCcN4hT8aUuDPv3B8CWQ/BkAc7ihxK)|[Disk很大，你忍一下](https://hackmd.io/@dZfCcN4hT8aUuDPv3B8CWQ/S1DlavXbt)

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