第 8 章 · 主存与虚拟存储器

主存怎么造（DRAM）+ 主存不够怎么办（虚拟内存）——存储层次思想在「主存-磁盘」尺度的复刻，OS 内存管理的硬件底座。

8.1 SRAM vs DRAM

	SRAM	DRAM
存储单元	6 个晶体管（触发器）	1 晶体管 + 1 电容
刷新	不需要	要周期刷新（电容漏电）
速度	快（纳秒级）	慢
密度/成本	低/贵	高/便宜
用途	Cache（第 7 章）	主存

注意：DRAM 电容漏电，必须每隔几十毫秒刷新一次（重写所有行）否则数据消失。刷新占用访存带宽——这是「DRAM 延迟不稳定、比 SRAM 慢一个量级」的物理根源，也是 Cache 必须存在的原因（第 7 章内存墙）。

8.2 DRAM 的组织与访存

DRAM 是二维阵列，地址拆成行地址+列地址，RAS/CAS 两根选通分时复用同一组地址线（省引脚）：

访存流程：先 RAS 选行（整行读入行缓冲/感测放大器）
          再 CAS 选列（从行缓冲里挑出目标单元）

行缓冲命中（row buffer hit）：连续访问同一行（空间局部性）就快，跨行要重新激活、慢得多。SDRAM/DDR 的「DDR」= 时钟上下沿都传数据，带宽翻倍。

对比：DRAM 的行/列组织是空间局部性的硬件体现——顺序访问数组=同一行连续列、快；随机访问=频繁换行、慢。从寄存器到磁盘，每层都奖励顺序、惩罚随机。

8.3 虚拟内存：把磁盘当主存用

每个进程看到一个独立、连续、比物理内存大的虚拟地址空间，由 MMU+OS 翻译成物理地址。

• 分页：地址空间切成固定页（page，通常 4KB），物理内存切成等大页框（frame），映射存页表（page table）。
• 页表项（PTE）：物理页框号、有效位、dirty 位、访问位（替换用）、权限位（读/写/执行）。

虚拟地址 = 虚拟页号 VPN | 页内偏移 offset
              │ 查页表（MMU + TLB）
              ▼
物理地址 = 物理页框号 PFN | 页内偏移 offset（不变）

• 缺页（page fault）：访问的页不在内存（有效位=0），触发异常，OS 从磁盘换入（第 9 章中断/DMA 联动）。
• 页置换：物理内存满时 OS 按 LRU/时钟踢一个页——第 7.4 节 Cache 替换的放大版。

注意：虚拟内存给每进程「独占整块内存」的错觉，是进程隔离与安全的硬件基石——一进程的虚拟地址只有经自己页表才能落物理地址。这也是野指针访问非法地址 → SIGSEGV 的机制：MMU 发现无映射/无权限，触发缺页/保护异常，内核发段错误。

8.4 TLB：页表的 Cache

查页表本身要访存（多级页表多次访存），慢。TLB（快表） 是「VPN→PFN」专用 Cache：

CPU 发虚拟地址 ──▶ 先查 TLB（快，命中则直接得物理地址）
                    │ 未命中 ──▶ 查页表（慢）──▶ 装入 TLB

对比：TLB 之于页表正如 Cache 之于主存——都是小快缓冲挡在大慢结构前，都靠局部性（TLB 命中靠时间局部性：反复访问同一批页）。「TLB 缺失→查页表→可能缺页→换页」是越来越慢的链条。

层次	挡在谁之间	缓冲什么	缺失代价
Cache	CPU ↔ 主存	内存块	主存延迟
TLB	MMU ↔ 页表	页表项	页表访存
页表	进程 ↔ 物理内存	虚拟↔物理映射	缺页（磁盘！）

8.5 与操作系统 / 各章衔接

• OS 第 6 章（内存管理）：页表、缺页、页置换是 OS 内存管理的硬件基础——OS 管「页表内容/置换策略/缺页处理」，硬件管「MMU 翻译/TLB/权限检查」。
• OS 第 7 章（文件/设备）：mmap 把文件映射进虚拟地址空间 = 让文件页按需换入，虚拟内存思想在文件 I/O 的复用。
• 第 9 章：缺页 = 异常→中断服务→磁盘 DMA 读入→恢复进程，串起中断与 DMA。
• C/Java：malloc/new 分配的是虚拟地址，物理页到真正读写才分配（惰性分配）；Java GC、Python 引用计数都运行其上。