lecture-06-5.srt

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00:00:00,000 --> 00:00:06,400
 

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00:00:06,600 --> 00:00:11,400
接下来我们讲快表和多级页表

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00:00:11,440 --> 00:00:12,600
那在刚才我们说

3
00:00:12,640 --> 00:00:14,640
快表是利用缓存的机制

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00:00:14,680 --> 00:00:17,040
来减少对内存的访问

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00:00:17,080 --> 00:00:20,720
而多级页表 是通过间接引用的方式

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00:00:20,760 --> 00:00:23,360
来减少页表的长度

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00:00:23,400 --> 00:00:25,560
那么它们具体怎么做的呢

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00:00:25,600 --> 00:00:30,040
快表实际上就是把近期访问过的页表项

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00:00:30,080 --> 00:00:31,720
缓存到CPU里头

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00:00:31,760 --> 00:00:35,240
底下是我们在前面没有使用快表的时候

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00:00:35,280 --> 00:00:39,240
正常情况下 你获取物理页号的过程

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00:00:39,280 --> 00:00:43,520
逻辑页号在内存当中去查页表

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00:00:43,560 --> 00:00:49,000
找到物理页号 然后得到物理地址

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00:00:49,040 --> 00:00:51,880
那现在在这里缓存之后怎么办呢

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00:00:51,920 --> 00:00:55,400
我在CPU里头 加上一组关联存储器

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00:00:55,440 --> 00:00:56,840
关联存储器是什么呢

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00:00:56,880 --> 00:00:59,160
关联存储器是说我这里有一个key

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00:00:59,200 --> 00:01:01,800
我进来之后它可以并行的

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00:01:01,840 --> 00:01:04,920
同时查所有的这些表项

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00:01:04,960 --> 00:01:07,960
有匹配的 把匹配的找出来

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00:01:08,000 --> 00:01:08,880
那你说这里

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00:01:08,920 --> 00:01:12,120
原先在内存里访问一次你觉得费事

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00:01:12,160 --> 00:01:14,160
到这里来你访问这么多次

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00:01:14,200 --> 00:01:15,600
它就不费事吗

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00:01:15,640 --> 00:01:16,440
实际上在这里头呢

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00:01:16,480 --> 00:01:18,240
由于是在CPU里头

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00:01:18,280 --> 00:01:19,720
它的速度会很快

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00:01:19,760 --> 00:01:23,440
当然由于它的速度快 成本高 功耗大

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00:01:23,480 --> 00:01:25,440
所以这个地方不能做的很大

30
00:01:25,480 --> 00:01:27,120
如果说匹配得上

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00:01:27,160 --> 00:01:30,120
那这时候呢它直接得到它的物理页号

32
00:01:30,160 --> 00:01:32,480
也就相当于我逻辑页号作为key

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00:01:32,520 --> 00:01:34,000
找到它的物理页号

34
00:01:34,040 --> 00:01:35,720
那我就得到你的物理页号

35
00:01:35,760 --> 00:01:38,080
这就不需要到内存当中访问了

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00:01:38,120 --> 00:01:40,000
如果说在这里头你找的时候

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00:01:40,040 --> 00:01:41,640
因为你这里容量很小

38
00:01:41,680 --> 00:01:43,720
肯定没有办法把整个页表

39
00:01:43,760 --> 00:01:46,600
全部装到这个CPU里头去

40
00:01:46,640 --> 00:01:48,240
好 那这些有不命中的

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00:01:48,280 --> 00:01:49,880
那不命中的时候呢

42
00:01:49,920 --> 00:01:51,240
它就会从这儿

43
00:01:51,280 --> 00:01:54,640
你得再去找内存当中的页表

44
00:01:54,680 --> 00:01:56,560
这时候你只能是两次访问了

45
00:01:56,600 --> 00:01:58,080
好 找到这个页表之后呢

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00:01:58,120 --> 00:02:01,240
我得到它的页帧号

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00:02:01,280 --> 00:02:03,160
同时我把这个内容

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00:02:03,200 --> 00:02:06,800
再缓存到CPU里的快表里头去

49
00:02:06,840 --> 00:02:10,840
下次再访问这一页里的数据的时候

50
00:02:10,880 --> 00:02:13,680
你就不必要再去访问内存了

51
00:02:13,720 --> 00:02:15,200
好 如果说我们在这里头

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00:02:15,240 --> 00:02:19,760
99%的访问我都是在这个TLB里

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00:02:19,800 --> 00:02:21,120
快表里命中的

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00:02:21,160 --> 00:02:23,720
那只有一次1%

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00:02:23,760 --> 00:02:26,640
是要到物理内存当中去查页表的

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00:02:26,680 --> 00:02:29,560
这时我们的性能就能大幅度提高

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00:02:29,600 --> 00:02:32,840
这是快表的基本原理

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00:02:32,880 --> 00:02:35,680
好 接下来我们介绍多级页表

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00:02:35,720 --> 00:02:37,880
多级页表是通过间接引用

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00:02:37,920 --> 00:02:41,680
将页号分成若干级

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00:02:41,720 --> 00:02:42,800
比如说在这里头

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00:02:42,840 --> 00:02:46,400
我们原来的逻辑地址的格式

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00:02:46,440 --> 00:02:48,400
是页号加页内偏移

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00:02:48,440 --> 00:02:50,840
现在变成了三级页号

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00:02:50,880 --> 00:02:54,720
P1 P2 P3 然后再加上页内偏移

66
00:02:54,760 --> 00:02:58,320
和它相对应的 我们的页表呢

67
00:02:58,360 --> 00:03:01,040
也会因此而形成一个树状结构

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00:03:01,080 --> 00:03:05,080
比如说原来一张大的线性页表

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00:03:05,120 --> 00:03:07,080
我把它切成若干段

70
00:03:07,120 --> 00:03:08,920
这切到段的个数呢

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00:03:08,960 --> 00:03:13,080
和你最后一级页表的宽度是一致的

72
00:03:13,120 --> 00:03:17,160
然后它每一个子页表的起头呢

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00:03:17,200 --> 00:03:20,960
作为上一级页表的物理页号

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00:03:21,000 --> 00:03:22,480
填到上一级页表当中

75
00:03:22,520 --> 00:03:26,040
在第二级的页表的宽度

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00:03:26,080 --> 00:03:29,240
和你第二级页号的宽度是一致的

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00:03:29,280 --> 00:03:32,880
然后再一个 第二级页表的起头

78
00:03:32,920 --> 00:03:36,680
再作为第一级页表项的物理页号

79
00:03:36,720 --> 00:03:38,680
那这时候它的项数

80
00:03:38,720 --> 00:03:41,960
和你第一级页表的宽度是相一致的

81
00:03:42,000 --> 00:03:43,360
在这种情况下

82
00:03:43,400 --> 00:03:49,160
我们要访问相应的物理内存单元

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00:03:49,200 --> 00:03:50,280
那怎么访问呢

84
00:03:50,320 --> 00:03:53,520
是从第一级查第二级 再查第三级

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00:03:53,560 --> 00:03:58,000
那这时候我们整个访问次数就是K+1

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00:03:58,040 --> 00:04:00,040
你这里是三级 那就是四次

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00:04:00,080 --> 00:04:04,480
具体的访问过程是这样的

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00:04:04,520 --> 00:04:08,080
第一级作为第一级页表的偏移

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00:04:08,120 --> 00:04:10,320
找到第二级页表上的起始

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00:04:10,360 --> 00:04:12,120
第二级页表项

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00:04:12,160 --> 00:04:13,800
再作为在第二级页表当中的偏移

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00:04:13,840 --> 00:04:17,720
加在一起找到第三级页表项的

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00:04:17,760 --> 00:04:19,880
起始页号 物理页号

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00:04:19,920 --> 00:04:22,680
然后这地方呢 这一页呢

95
00:04:22,720 --> 00:04:25,360
每一页这些页表都是和页相对齐的

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00:04:25,400 --> 00:04:28,280
所以从这儿呢它就不再有页内偏移

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00:04:28,320 --> 00:04:29,760
好 然后从这儿找到

98
00:04:29,800 --> 00:04:31,800
最后的 你要实际访问的

99
00:04:31,840 --> 00:04:35,520
那个内存单元的物理页号

100
00:04:35,560 --> 00:04:38,920
再加上最后一次物理内存的访问

101
00:04:38,960 --> 00:04:40,600
那通过这种方式

102
00:04:40,640 --> 00:04:44,880
我们可以有效地减少每一级页表的长度

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00:04:44,920 --> 00:04:49,480
那如果说 你是所有的页表项都存在的话

104
00:04:49,520 --> 00:04:53,200
你用多级页表实际上对它的存储并没有减少

105
00:04:53,240 --> 00:04:56,080
但实际上 我们实际运行的进程呢

106
00:04:56,120 --> 00:04:59,760
多数并不会用到整个所有的页表

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00:04:59,800 --> 00:05:03,200
所有的内存地址空间 逻辑地址空间

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00:05:03,240 --> 00:05:04,320
在这种情况下 

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00:05:04,360 --> 00:05:07,720
我们可以通过各级页表当中的存在位

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00:05:07,760 --> 00:05:10,480
把那些不存在的给省掉

111
00:05:10,520 --> 00:05:12,400
如果说我在第一级页表里头

112
00:05:12,440 --> 00:05:15,080
有一个下一块区域都不存在的话

113
00:05:15,120 --> 00:05:15,880
那么这样一来 

114
00:05:15,920 --> 00:05:19,360
我节省出来的空间就会大幅度增加

115
00:05:19,400 --> 00:05:21,640
我使用的空间就会大幅度减少

116
00:05:21,680 --> 00:05:22,880
好 用这种方式呢

117
00:05:22,920 --> 00:05:24,400
实际上我们使用多级页表呢

118
00:05:24,440 --> 00:05:26,960
可以有效地的减少页表的大小

119
00:05:27,000 --> 00:05:28,600
下面我们通过一个简单的

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00:05:28,640 --> 00:05:30,560
但是更具体的例子 二级页表

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00:05:30,600 --> 00:05:32,160
我们看它是怎么做的

122
00:05:32,200 --> 00:05:37,360
这儿呢我们把20位的地址总线

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00:05:37,400 --> 00:05:39,720
把它切成了三段

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00:05:39,760 --> 00:05:41,720
0到10 1K 

125
00:05:41,760 --> 00:05:45,400
10位作为页内偏移

126
00:05:45,440 --> 00:05:49,920
然后前面切成两个五位的页号

127
00:05:49,960 --> 00:05:51,160
第一级和第二级

128
00:05:51,200 --> 00:05:53,360
那在实际访问的时候是什么样

129
00:05:53,400 --> 00:05:56,040
这是这里头第一级

130
00:05:56,080 --> 00:05:58,280
那第一级页表的起头在哪呢

131
00:05:58,320 --> 00:05:59,920
它是写到固定寄存器里的

132
00:05:59,960 --> 00:06:01,360
在因特尔的CPU上

133
00:06:01,400 --> 00:06:03,360
有一个叫CR3的寄存器

134
00:06:03,400 --> 00:06:07,040
好 在这个寄存器里头存的起始位置

135
00:06:07,080 --> 00:06:09,000
加上你的第一级的页号

136
00:06:09,040 --> 00:06:11,240
作为它的索引 下标

137
00:06:11,280 --> 00:06:12,960
找到相应的页表项

138
00:06:13,000 --> 00:06:16,800
这是第二级页表的起始页号

139
00:06:16,840 --> 00:06:19,000
好 那第二级页表呢

140
00:06:19,040 --> 00:06:20,280
你找这个起始位置

141
00:06:20,320 --> 00:06:22,920
加上第二级的页表号

142
00:06:22,960 --> 00:06:28,240
把它俩找到你的实际的物理页号

143
00:06:28,280 --> 00:06:32,840
那这时候把偏移直接搬过来

144
00:06:32,880 --> 00:06:35,360
那就得到你的物理地址了

145
00:06:35,400 --> 00:06:36,720
有了这样一种做法呢

146
00:06:36,760 --> 00:06:38,280
我们就可以很方便地

147
00:06:38,320 --> 00:06:42,520
利用多级页表减少你整个页表的长度

148
00:06:42,560 --> 00:06:42,600