第五章：计算机中的翻译器

这篇文章深入探讨了计算机内存管理，特别是虚拟内存、分页（paging）和内存保护机制。

1. 内存是虚拟的：

• CPU访问的内存地址实际上是虚拟内存空间中的地址，而不是物理内存（RAM）中的确切位置。
• 内存管理单元（MMU）充当翻译器，将虚拟内存地址转换为RAM中的物理地址。

2. 分页机制：

• 操作系统创建一个页表（page table），用于存储虚拟内存到物理内存的映射关系。
• 页表中的每个条目（page）代表虚拟内存中的一块内存映射到RAM中。
• x86-64架构默认使用4 KiB大小的页，但也可以启用更大的2 MiB或4 GiB页。

3. 页表和地址转换：

• 页表位于RAM中，每个条目大小仅为几字节。
• 启用分页时，操作系统将页表的物理地址存储在页表基址寄存器（PTBR）中，并通过设置控制寄存器来启用MMU。

4. 内存隔离和安全性：

• 通过分页，每个进程可以拥有自己隔离的内存空间，提高了代码的易用性和安全性。

5. 内核内存和用户内存：

• Linux将虚拟内存空间的上半部分分配给内核，称为高半部内核（higher half kernel）。
• 页表条目中的权限标志可以保护内核内存，防止用户态进程访问。

6. 层次化分页和优化：

• 64位系统具有极大的虚拟内存空间，如果为每个4 KiB的虚拟内存部分都需要一个页表条目，将非常不实用。
• 层次化分页（hierarchical paging）通过多级页表解决了这个问题，形成了树状结构。

7. 5级分页：

• 最新的处理器实现了5级分页，增加了一个间接层并扩展了地址空间。

8. 交换（Swapping）和按需分页（Demand Paging）：

• 当内存访问失败时，MMU会触发一个称为“页面错误”（page fault）的硬件中断。
• 操作系统可以有意让内存访问失败，然后解决问题并将控制权交回CPU。
• 按需分页允许操作系统将磁盘上的文件映射到虚拟内存，然后在需要时才加载到物理内存中。

9. 页面错误和段错误：

• 如果页面错误是无效或禁止的访问，内核可能会以段错误（segmentation fault）终止程序。

文章通过解释虚拟内存、分页和内存保护的概念，帮助读者理解计算机如何从启动到运行当前软件的过程。这些机制对于确保系统的稳定性和安全性至关重要。