虚拟地址、中断异常

问题1：什么是页表？为什么要有？

页表是操作系统和MMU（内存管理单元）用来管理虚拟内存到物理内存映射的数据结构。

内存隔离与保护
- 每个进程有独立的虚拟地址空间，避免程序越界访问（如A进程无法篡改B进程的数据）。
- 通过页表权限位（读/写/执行）实现硬件级内存保护（例如：代码段只读）。
虚拟内存（按需分页）
- 允许物理内存不足时，将部分数据暂存到磁盘（Swap），页表标记页是否在内存中（Present位）。
- 嵌入式场景：部分RTOS或无MMU系统可能禁用此功能，但Linux嵌入式系统常用。
内存碎片整理
- 物理内存可能碎片化，但页表让程序看到连续的虚拟地址空间（如malloc分配的内存）。
MMU硬件加速
- CPU通过MMU自动转换地址，无需软件计算，提升性能（尤其对高频访问的代码/数据）。
共享内存
- 同一物理页可映射到多个进程的页表（如库代码）。

“页表是虚拟地址到物理地址的映射表，由MMU硬件自动转换，实现内存隔离、保护和共享。”

三个核心作用：

隔离性：防止进程越界访问。

灵活性：支持虚拟内存（Swap）、内存碎片整理。

高效性：MMU硬件加速地址转换，提升性能。

“在嵌入式Linux中，页表管理内存；裸机或无MMU系统（如某些RTOS）可能直接操作物理地址。”

CPU访问无效页
- 程序访问的虚拟地址在页表中标记为无效（不存在或无权限）。
- 触发原因：
  - 页未加载（Present=0）。
  - 权限错误（如写只读页）。
硬件捕获异常
- CPU自动保存现场（寄存器、PC等），跳转到内核的缺页中断处理程序。
内核处理
- 检查地址合法性：是否属于进程的合法地址空间（否则触发SIGSEGV）。
- 加载缺失页：
  - 从磁盘中加载数据到物理内存。
    - 若进程的工作集满了，通过页面置换算法，选择一页换出，再将该页写入
  - 更新页表，标记为有效（Present=1）。
恢复执行
- 内核返回到用户态，CPU重新执行触发缺页的指令。

物理内存是实际的RAM硬件，而虚拟内存是操作系统为每个进程抽象的地址空间，通过页表映射到物理内存。 虚拟内存的三大作用：

TLB（快表），页表（慢表）

VA（virtual address）：虚拟地址，PA（physical address）：物理地址

CPU发虚拟地址（VA） → MMU拦截。
先查TLB（快表）：
- 若命中（TLB缓存了VA→PA映射），直接返回物理地址（PA），无需查页表。
- 若未命中，继续查页表。
查页表（Page Table）：
- 多级页表：VA分段查表，页表命中，得到逻辑页号对应的物理页号。
- 若页未加载到内存，触发缺页异常，执行缺页处理程序，将逻辑页调入到内存中，得到逻辑页号对应的物理页号
更新TLB：将新查到的逻辑页号→物理页号映射存入TLB，加速下次访问。
MMU返回PA。

类型	触发源	触发时机	处理方式	典型场景
中断	外部硬件设备	异步（随机发生）	内核调用中断处理程序	键盘输入、定时器到期、网络包到达
异常	CPU执行指令时内部错误	同步（必然发生）	内核调用异常处理程序或终止程序	除零、非法指令、缺页中断、系统调用