虚拟化技术分析：动态地址转换

作者：Bob Rogers 2018-06-13 15:05:25

云计算

虚拟化 从硬件的角度来看，此时的System/360 Model 67并没有提供虚拟化设备的支持，是CP-67虚拟机管理程序自己提供了所需的虚拟化。然而CP-67并不能虚拟化主内存，它还是需要Model 67的协助来完成。

尽管虚拟化在主机上是很成熟的技术，我们最近还是经常听闻有关该技术的讨论。早在1967年，CP-67虚拟机管理程序就已经支持虚拟机和虚拟化系统镜像。在这个虚拟机管理程序下，整个磁盘可以被虚拟为多个小型磁盘。例如像读卡器、打卡机和打印机等单元记录设备，甚至无需实际物理设备存在就能被虚拟出来。从硬件的角度来看，此时的System/360 Model 67并没有提供虚拟化设备的支持，是CP-67虚拟机管理程序自己提供了所需的虚拟化。然而CP-67并不能虚拟化主内存，它还是需要Model 67的协助来完成。

System/360 Model 67可以借助CP-67创建的表，来实施动态地址转换（DAT）。通过这种方式，虚拟机中一个特定内存块可以被映射到实际内存中的任意块。实际内存中非连续的内存块在虚拟机中可能就是连续的。更有趣的是，“虚拟内存”中的块有可能并不映射到实际内存中。相反，它会被CP-67映射到磁盘上的数据块，这个数据块只有在被引用时才读入真实的内存数据。这样的设计使得客户操作系统认为数据一直在内存中。这便所谓的分页技术，同时也是虚拟化技术的基础。今天的z/os系统正是利用这种机制隔离不同的应用和程序。

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转译后备缓冲区（TLB）提供了实用性

动态地址转换是一个伟大的想法，但如果每次访问内存中指令或者操作数地址，都需要进行地址转换，那这个时间花费是不可接受的。大多数大型机的指令涉及多个地址，如果没有突破性的创新，动态地址转换反而会降低机器运行效率。这时出现了让动态地址转换依旧可用的创新，那就是转译后备缓冲区（TLB）。TLB是一种可以记录并快速访问前一次转译结果的结构。

在这里我们不会太深入讲解TLB的工程设计，但仍有几点需要留意。TLB是一个二维数组，其内容就是一系列的条目。如图1-01所示，它是长度为32个条目，宽度为4个条目的TLB。每个条目包含一个已被转译的虚拟地址和一个真实地址。使用索引和内容可寻址存储器，我们可以从TLB中获得正确的先前转译。如果先前转译并没有在TLB中，其它电子元件就会读取内存中的表并进行转换，然后将结果写入到TLB的相应列中，以备后续使用。

使用大型的TLB是非常有用的，这样就能最小化内存中表的访问。然而不幸的是，大型电子电路的速度访问会非常缓慢，因为信号必须在更大的结构中传播更远的距离。此外，内容寻址存储器所需的电路数增长是非线性的。所以TLB一般来说都比较小。幸运的是我们已经有一些技术可以提升有效容量，因此无需使用很大的TLB。

图1-01 一级TLB

***化TLB的容量

起初，单一的TLB可用于转译指令地址和操作数地址。但同时也有两个地方需要转译，那就是指令提取逻辑和操作数访问逻辑。一个能有效增加容量的方法是使用两套TLB，一个用于处理指令地址，另一个用于处理操作数地址。处理指令的TLB一般物理位置上临近指令存取逻辑，处理数据的则被放置在操作数地址逻辑附近。即使这样的设计需要额外逻辑来维护这两个TLB的交互，但这个额外花销是值得的，因为它带来了效率的提升。

另外可做的是增加TLB的层级，这些额外增加的层级可以是大容量和低速度的设备，因为它们仅会在小型高速TLB未***时使用。这种添加层级的方法已被用于处理器高速缓存几十年了。每个次级层次都容量更大，同时需要更多的周期来访问。为此IBM工程师用非线性的方式实现了二级转译后备缓冲区（TLB2）。在内存中的DAT表并不再是线性表，而是更复杂的多层结构（如图2-01所示）。例如在双层表中，***级表称为段表，它包含内存映射到二级表的入口；二级表称为页面表，它包含256个用于映射4K内存的条目。

图2-01 存储中的DAT表结构

现代的z系统处理器的TLB2有两种类型的条目（如图2-02所示），大小为1MB的段和大小为4K的页。当转译在***层TLB（TLB1）中找不到时，TLB2就会搜索4KB页条目所提供的转译。如果没有找到，TLB2就会在段条目中搜索包含待转译的地址。如果这个条目被找到，就不会再使用内存中表的转译，因为对应的页表可以直接被访问，而无需访问存储器中的段表。因此如使用TLB2，额外的转译可以通过访问内存中的表来实现，至少减少了这些访问的次数。

图2-02 二级TLB的结构

增加TLB有效容量的另一种方法是支持更大的页面，使得仅需要较少的条目就能覆盖给定的虚拟地址。在z系统的处理器中，这个特性得到了支持。首先在Z10的处理器上，TLB1会继续支持4KB的条目，但TLB2可以容纳1MB的页条目。这些1MB的页条目可以无需访问内存中的表来创建TLB1所需的4KB条目。在z196处理器中，TLB1已经可以支持1MB的页条目。在这个处理器中，添加了特殊的数据TLB1用于1MB页条目的处理，同时指令TLB1也被增强用于支持4KB和1MB两个页条目。在zEC12还引入了2GB页条目的支持。在这种结构下，有一个小型的数据TLB1持有一些2GB的页条目，而一些非常大的页条目被用作DB2缓冲区域和JAVA堆的有效映射。

虚拟化的创新还在继续

本文的简介并没有谈到z/VM虚拟机支持客户机的虚拟内存。为了实现这种功能，z系统的处理器支持两层的转译。首先，客户机的虚拟地址被转译成客户机的实际地址。但是客户机的真实地址是主机端的虚拟地址，它需要转译成主机的真实地址。在这里我们不会就本话题做进一步探讨，仅仅有一点提醒大家注意，那便是两层转译涉及到许多表的访问，因为客户表的转译还涉及到额外的主机转译。还有许多更复杂的操作在z系统硬件上实现，这种实现使得对上层操作是透明的。