简而易懂的CPU和MMU画图讲解

我们知道，程序文件一般放在硬盘上，当把程序运行起来时，程序被放入内存中，通过内存放入cache，通过cache进入cpu，下图中预取器就是负责从cache取出指令，然后由译码器译码，译码的作用就是要知道需要哪些寄存器配合完成指令，如该指令是一个加法运算，则译码器译码后发现需要使用到add，eax和ebx寄存器，然后交给ALU算数逻辑单元进行算数运算，结果放回寄存器，再放入cache，再放入内存，之后交给IO总线，再交给物理设备显示到屏幕上。

下图是一个0到4G的虚拟地址空间，.text存放代码，.data存放数据，heap是堆区，stack是栈区，这0到3G是用户区，3到4G是内核区，当程序运行的时候便会产生这样一个虚拟地址空间，程序运行时所需的所有资源都放到虚拟内存中。虚拟内存不是真实存在的，图中所示的4G大小的虚拟内存是指程序运行可用的地址空间有4G，程序运行的资源最终还是要放到物理内存中。那虚拟地址和物理地址如何对应？就是使用MMU。MMU：内存管理单元，用于完成虚拟内存和物理内存的映射，位于CPU内部；MMU将虚拟内存映射到物理内存，以及设置修改CPU的访问级别，如printf函数，要调用系统函数write，要进入内核空间，此时CPU的访问级别由3级用户空间转换到0级内核空间。

下图所示为在同一个机器上运行两份可执行程序a.out，产生两个虚拟地址空间，其中，两个进程的用户态虚拟地址被MMU映射到物理内存的不同地址，但是内核态映射到同一个地址（针对单核来讲），而PCB虽然位于内核中，两个进程的PCB是不一样的，只是位于同一个物理地址处。

综上，程序运行的时候产生虚拟地址空间，预取器取处指令后需要MMU的配合，将虚拟地址和物理地址做映射才能正确取出数据。
现在，进一步分析，如下图所示，进程a.out的PCB中有一个指针，指向页目录，页目录中有一个个的指针，其中一个指向页表，页表中也有一个个的指针，其中一个指向物理页面，物理页面中是一个个的内存单元，然后才通过MMU完成虚拟地址和物理地址的映射。