访问内存时如何通知操作系统内核？

Posted 2023-03-29

【中文标题】访问内存时如何通知操作系统内核？

【英文标题】：How does OS kernel get notified when memory is accessed?

【发布时间】：2021-06-04 16:06:53

【问题描述】：

据我所知，OS内核维护着从虚拟地址到物理地址的转换，用户空间程序使用虚拟地址，CPU使用物理地址。

既然所有的机器代码都是由 CPU 执行的，那么 OS 内核如何知道一条内存访问指令被取走，并将虚拟地址转换为物理地址呢？ CPU 可以执行syscall 将控制权转移给内核，但内存读/写不是通过syscall 完成的。我很困惑。

例如，考虑下面的代码（地址3只是为了简化，不用担心读/写/执行权限）：

int a = *(int *)3;

这是编译成

movl    $3, %ecx
movl    (%rcx), %edx
movl    %edx, -8(%rbp)

OS内核加载程序后，将IP寄存器设置为入口点，并做一些其他准备，然后让CPU执行指令。当 CPU 执行movl (%rcx), %edx 时，OS 内核如何知道是它应该干预的时间，阻止 CPU 访问物理地址0x3？

【参考方案1】：

CPU 中有一个组件称为内存管理单元。它负责在执行内存访问指令时将虚拟地址转换为物理地址。

如果虚拟地址当前没有映射到 RAM，它会触发中断。这会暂停进程并告诉操作系统它需要将适当的内存带入 RAM。它试图访问的地址存储在一个寄存器中，因此操作系统知道要分页。

【参考方案2】：

您的假设是错误的，因为 CPU 确实转换了虚拟地址。

分页和虚拟寻址由 CPU 实现，操作系统使用这种实现。操作系统不保留虚拟地址数据库，它保留页表数据库，以便在需要时可以修改它们，例如在上下文切换期间。此外，操作系统需要跟踪哪个页面用于什么。

MMU 是负责将虚拟地址转换为物理地址的 CPU 单元，它通过在缓存中查找页表来实现这一点。 CPU 或 MMU 也有一个称为 TLB 的缓存，它保存虚拟地址转换以使转换更快。否则，CPU 将需要执行多次 RAM 读取来收集所需的信息，以便为每次内存访问进行转换。由于 RAM 与 CPU 相比速度较慢，这会使计算机速度变慢。