当内存被访问时，OS内核如何得到通知?

Question

据我所知，操作系统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。

既然所有的机器码都是由CPU执行的，那么OS内核如何知道内存访问指令被执行，并将虚拟地址转换为物理地址呢?CPU可以执行syscall来将控制传递给内核，但是内存读/写不是通过syscall来完成的。我很困惑。

例如，考虑以下代码(地址3只是为了简化，不用担心读/写/执行权限):

int a = *(int *)3;

编译成

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

程序被操作系统内核加载后，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，操作系统内核如何知道是该介入的时候，阻止CPU访问物理地址0x3?

Answer 1

CPU有一个组件叫做内存管理单元。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中，它将触发中断。这将挂起进程并告诉操作系统它需要将适当的内存放入RAM中。它试图访问的地址存储在寄存器中，因此操作系统知道要分页的内容。

Answer 2

你的假设是错误的，因为CPU做转换虚拟地址

分页和虚拟寻址由CPU实现，操作系统使用该实现。操作系统不保留虚拟地址的数据库，它保留页表的数据库，以便在需要时修改它们，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是负责虚拟地址到物理地址转换的CPU单元，它通过在缓存中查找页表来完成转换。此外，CPU或MMU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比CPU慢，这将使计算机更慢。