內(nèi)存尋址的具體設(shè)計

本文的目的不是介紹內(nèi)存尋址的具體設(shè)計，其實很多細節(jié)我也不了解，而是想通過內(nèi)存尋址的設(shè)計思想看看對 FPGA 的設(shè)計有什么幫助和借鑒。

內(nèi)存尋址有兩個的重要的設(shè)計：

內(nèi)存分頁

頁表分級

關(guān)于內(nèi)存分頁 - 規(guī)整即簡單

內(nèi)存分頁即將內(nèi)存分割為以頁（一般是4KB）為單元的塊，然后內(nèi)存的分配和使用都是以頁為最小單元。假如一個進程只需要 2KB 的內(nèi)存，仍然給其分配 4KB（一頁）的空間。

關(guān)于內(nèi)存分頁的好處，我覺得知乎上一位知友的描述非常生動和形象。他將內(nèi)存分頁比喻為停車場劃分停車位。停車位的劃分使得停車人尋找停車位時變得簡單，停車人不再需要自己判斷位置空間是否夠大能停下車，只需要看有沒有空位即可。同時也使停車位的使用管理變得高效，停車場管理人員可以很容易判斷并發(fā)布停車位的空位信息。當然，這可能只是內(nèi)存分頁的好處中的其中一個。

我們可以總結(jié)一下內(nèi)存分頁的使用場景：

有一塊大的 memory 空間

有很多 Users 要使用 memory

Users 使用 memory 的時間和空間大小不確定

那么當我們在 FPGA 設(shè)計中遇到這樣類似的場景時，便可以借鑒內(nèi)存分頁的思想，將 memory 劃分為不同的塊，來提高 memory 的使用和管理效率。當然，對于 memory 塊的劃分可能導(dǎo)致 memory 的浪費，像前面舉的例子，只需要 2KB 的內(nèi)存，卻分配了 4KB 的空間。如何正確的取舍，去做 tradeoff，這也是設(shè)計者需要考慮的。

再往本質(zhì)里看，這其實是硬件設(shè)計上的一個“規(guī)整”問題。就像CPU指令集的設(shè)計，因為不同指令對 bit 利用的規(guī)整，簡化了CPU的設(shè)計。規(guī)整即簡單。

關(guān)于頁表分級 - 時間換空間

頁表是用來將虛擬地址映射為物理地址的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對于 4KB 的頁單元，需要 12-bit 來尋址。如果地址線的總位寬是 32-bit，那么我們需要 2^20 （32-12=20） 個頁表，假如每個表項用 4 byte，那么頁表總共要用到 4MB 的內(nèi)存。這還只是一個進程用到的空間。

頁表分級減少了頁表對內(nèi)存的使用量。用過兩級分頁（第一級頁目錄+第二級頁表），即先通過第一級頁目錄查找到頁表，再通過第二級頁表去查找頁，只有當?shù)谝患壍捻撃夸涰椨玫綍r才去分配第二級的頁表。舉個例子，假如頁目錄和頁表分別占用10-bit。頁目錄有2^10個項 (一共占用 4KB 內(nèi)存)，假如頁目錄只有第一項被用到，那么我們只需要分配其對應(yīng)的頁表，這個頁表也是有2^10個項 （一共占用 4KB 內(nèi)存），那么此時只用到了 4KB+4KB = 8KB 內(nèi)存，相比于 4MB 節(jié)省了很大部分。

我們總結(jié)一下頁表分級的場景：

多個 Users 共用一份地址線訪問 memory

每個 Users 都需要自己的 memory 空間

實際有效的 Users 的數(shù)目是動態(tài)變化的

Users 對 memory 空間的使用也是動態(tài)變化的

遇到類似的場景我們便可以考慮將地址分級，對 Users 動態(tài)分配 memory 空間，幾個 Users 甚至可以復(fù)用一份 memory，達到節(jié)省 memory 使用的目的。這樣做當然增加了 memory 控制和管理的復(fù)雜度，也是設(shè)計上的 tradeoff。

再往本質(zhì)里看，這個場景其實利用了事件發(fā)生的時間上的差異。是時間“換”空間的概念，地址分級只是實現(xiàn)這個概念的一個手段。

總結(jié)

本文思考了內(nèi)存尋址的兩個設(shè)計點對 FPGA 設(shè)計的借鑒意義。很多時候，設(shè)計的思想是相通的，尤其是像 CPU 或者 Linux內(nèi)核 這樣的經(jīng)典的，經(jīng)久不衰的設(shè)計。

來源： 本文轉(zhuǎn)載自FPGA開發(fā)之路 公眾號

審核編輯：湯梓紅