没有虚拟地址的处理器是怎么工作的？

这个概念在大概14年前第一次接触，当时本科的专业并不是计算机，记得当时坐在图书馆里抱着一本书硬啃，一直想把这个概念弄清楚。

费尽力气却仍然似是而非，似懂非懂，因此挫败感很大；后来读研后，方向一直不在这里，也没有再去看，但是当时抱着一本书“深入理解计算机系统”看了好多年，断断续续，仍然觉得没有真正理解。

后来工作后，一头扎在了各种小型芯片的设计中，各种ip的设计，各种SoC层面的调度调式，CPU性能加速优化，和模拟的各种掰扯，和软件一起定位各种奇怪的问题，因为数字系统比较小，距离“虚拟存储器”更加遥远了；后来又做了一个中型的系统，说是中型，也就是大几百万门的系统，但是在和软件的各种扯皮中，确实看到了复杂系统软件健壮性的严峻挑战，定位问题的困难程度，可是仍然没有接触“虚拟存储器”；再后来，终于看到了真正的大系统，正经的正在做的芯片中使用了“虚拟存储器”的概念。

终于，14年后，可以来谈这个问题了。

看看没有虚拟地址的处理器是怎么工作的，编译环境除了将高级语言转换成机器码外，linker把众多分散开发文件串起来，使得增量编译

成为可能；同时loader就要考虑把多个独立程序安排地址空间，例如操作系统，视频驱动，display驱动，IO驱动，wifi驱动等。

他们存储在nor-flash or nand flash等NVM中。注意这些程序大部分会使用相对的地址寻址(或长或短，提高存储密度必然要求)，也有少量绝对跳转地址，

这些绝对跳转必须由loader（在这个语境下还是指 IDM PC环境）了解整个地址划分，最后根据情况修改这些绝对跳转地址；

然后程序开始执行时，操作系统先初始化，然后加载各个进程；

1. 指令

只是cache，不区分是谁的操作系统指令 or 进程指令;

但如果要卸载某个程序，或者update，只能重新编译，linker and loader；但这对于大型系统来说是不可接接受的；

因为假使某个程序卸载后，update后的程序比原来大，原来连续的地址空间不够用了，只能看看哪里还有空缺  

- 用不连续的两块nor flash区域拼接；

但是complier会很痛苦，因为实际可能远远不止2块不连续，要处理address remap问题，即使是相对分支跳转指令；

- 或者干脆找一块足够大的区域，导致内存碎片，利用率不高；

note：当然处理器不会关心这些复杂的事情，它只傻傻的执行每一条指令规定的行为。

如果系统没有cache，这些指令直接就流进处理器；

如果系统有cache，它也傻傻的根据这些物理地址，一定的算法，例如LRU来管理高速缓存，因此对cache没什么影响；

ps：注意支持虚拟存储器与否，对cache没什么影响；

2. 数据

这里的数据专指程序执行过程产生的临时数据，存储在片上sram，or DDR中，而不是只一开始就存储在nor flash中的literal data

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系统如果没有d-cache(只有片上sram)，且没有操作系统：所有全局变量，静态变量，全部由编译器分配好，称之为heap，然后分配一块向下生长的空间作为stack，编译器会根据某种算法估计要给stack开辟多少空间，例如这个程序就是一个大的while(1) {}, 在结尾处wfi进入休眠，由中断驱动，

编译器会计算最深的函数调用(stack向下生长最长) + 在这种情况下发生中断保存现场stack需要；

但如果有“递归调用”则是另外一回事，编译器可能并不知道实际工作情况，自然无法准确预估stack需要；

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系统如果没有d-cache(只有片上sram)，有操作系统：因为操作系统有内存管理功能，一般programmer编程不当(内存要及时free)，会造成内存泄露，这个和无操作系统场景不同；当然也可能纯粹应用需要的太多，系统能力有限支持不了；

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系统有d-cache(只有片上sram)，有操作系统：和上一种区别不大，d-cache也是无脑工作，并不需要知道加载的到底是heap or stack，或者什么变量；

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问题：那么加入虚拟存储器会 make a difference ？对编译器没什么影响，但是对系统却有很大的影响。

分析：对于小型系统来说，各个程序系统开发者可以把关，并进行测试保证系统稳定性；

但对于大型系统来说，程序及其庞杂，开发者众多，开发者水平不一；有第三方开发的软件需要安装，甚至有些有些恶意软件要攻击别的软件；即某个程序可能异常可能会造成系统崩溃，或信息泄露，不管有意还是无意，最终导致这个后果。

审核编辑：黄飞