20145315 《信息安全系统设计基础》第14周学习总结

20145315 《信息安全系统设计基础》第14周学习总结

课程内容总结

物理地址和虚拟地址

• 物理地址：计算机系统的主存被组织成一个由M个连续的字节大小的单元组成的数组。每个字节都有唯一的物理地址。
• 虚拟寻址：使用虚拟寻址时，CPU通过生成一个虚拟地址来访问主存，这个虚拟地址在被送到存储器前被转换为适当的物理地址。

地址空间

• 一个地址空间的大小是由表示最大地址所需要的位数来描述的。
• 虚拟存储器的基本思想：允许每个数据对象有多个独立的地址，其中每个地址都选自一个不同的地址空间。

虚拟存储器作为缓存的工具

• VM系统将虚拟存储器分割为称为虚拟页的大小固定的块。

• 物理存储器被分割为物理页（页帧），大小也为P。

• 在任意时刻，虚拟页面的集合都被分为三个不相交的子集：

  1. 未分配的：没有任何数据与它们相联，不占任何磁盘空间。
  2. 缓存的：当前缓存的物理存储器中的已分配页。
  3. 未缓存的：没有缓存在物理存储器中的已分配页。

• DRAM缓存的组织结构：

  1. 由于大的不命中处罚，DRAM缓存是全联的。
  2. 与硬件SRAM相比，操作系统对DRAM缓存使用了更加复杂精密的替换算法。
  3. 对磁盘的访问时间很长，DRAM缓存总是使用写回，而不是直写。

页表

页表：将虚拟页映射到物理页。

每次地址翻译 硬件将虚拟地址转换为物理地址时都会读取页表。

页表就是一个页表条目（PTE）的数组。

虚拟地址空间中每个页中一个固定偏移量处都有一个PTE。

DRAM缓存不命中称为缺页。

虚拟存储器作为存储管理工具

VM简化了链接和加载，代码和数据共享，以及应用程序的存储器分配。

虚拟存储器作为存储器保护的工具

SUP位表示进程是否必须运行在内核模式下才能访问该页。READ和WRITE位控制对页面的读和写访问。

如果一条指令违反了这些许可条件，那么CPU就触发一个一般保护故障，将控制传递给一个内核中的异常处理程序。

地址翻译

将一个N元素的虚拟地址空间(VAS)中的元素和一个M元素的物理地址空间（PAS）中元素之间的映射。

• 当前页命中的执行步骤（完全由硬件处理）：

  1. 处理器生成虚拟地址，传给MMU
  2. MMU生成PTE地址，并从高速缓存/主存请求得到他
  3. 高速缓存/主存向MMU返回PTE
  4. MMU构造物理地址，并把它传给高速缓存/主存
  5. 高速缓存/主存返回所请求的数据给处理器。

• 处理缺页（要求硬件和操作系统内核协作完成）：

  1. 处理器生成虚拟地址，传给MMU
  2. MMU生成PTE地址，并从高速缓存/主存请求得到他
  3. 高速缓存/主存向MMU返回PTE
  4. PTE中有效位是零，MMU触发异常，传输CPU中的控制到操作系统内核中的缺页异常处理程序。
  5. 缺页异常处理程序确定牺牲页，如果这个页面已经被修改了，则把它换出磁盘。
  6. 缺页异常处理程序调入新的页面，更新存储器中的PTE
  7. 缺页异常处理程序返回原来的进程，再次执行导致缺页的指令。CPU将引起缺页异常虚拟地址重新发送给MMU。因为虚拟页面现在缓存在物理存储器中，所以就会命中。

TLB加速地址翻译

翻译后备缓冲器(TLB)：是一个小的、虚拟存储的缓存，其中每一行都保存着一个由单个PTE组成的块,TLB通常具有高度的相关性。

存储器映射

• 存储器映射：Linux通过将一个虚拟存储器区域与一个磁盘上的对象关联起来，以初始化这个虚拟存储器区域的内容的过程。
• 一个对象可以被映射到虚拟存储器的一个区域，要么作为共享对象，要么作为私有对象。

存储器动态分配

分配器的两种基本风格：

• 显示分配器-malloc和free
• 隐式分配器/垃圾收集器

碎片

虽然有未使用的存储器，但是不能用来满足分配请求时，发生这种现象。

• 内部碎片：发生在一个已分配块比有效载荷大的时候

• 外部碎片：发生在当空闲存储器合计起来足够满足一个分配请求，但是没有一个单独的空间块足以处理这个请求时发生。

垃圾收集

垃圾收集器是一种动态存储分配器，它自动释放程序不再需要的已分配块，这些块被称为垃圾。

自动回收堆存储的过程叫做垃圾收集。

当存在一条从任意根节点出发并到达p的有向路径时，说节点p是可达的，不可达点就是垃圾。

存储器有关错误

• 间接引用坏指针
• 读未初始化的存储器
• 允许栈缓冲区溢出
• 假设指针和它们指向的对象是相同大小的
• 造成错位错误
• 引用指针，而不是它所指向的对象
• 误解指针运算
• 引用不存在的变量
• 引用空堆块中的数据
• 引起存储器泄露

学习进度条

	代码行数（新增/累积）	博客量（新增/累积）	学习时间（新增/累积）	重要成长
目标	5000行	30篇	400小时
第一周	20/200	1/2	20/20
第二周	30/200	2/4	18/38
第三周	50/200	1/4	22/30
第四周	0/200	0/0	0/30
第五周	100/200	2/2	25/30
第六周	100/200	2/2	25/30
第七周	100/200	1/2	25/30
第九周	100/200	1/2	25/30
第十周	100/200	1/2	25/30
第十一周	100/200	1/2	25/30
第十二周	100/200	1/2	25/30
第十三周	943/200	1/2	25/30
第十四周	0/200	1/2	25/30

参考资料

• 《信息安全系统设计基础》教学进程
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