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

內(nèi)存尋址有兩個(gè)的重要的設(shè)計(jì)：

內(nèi)存分頁(yè)

頁(yè)表分級(jí)

關(guān)于內(nèi)存分頁(yè) - 規(guī)整即簡(jiǎn)單

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

關(guān)于內(nèi)存分頁(yè)的好處，我覺得知乎上一位知友的描述非常生動(dòng)和形象。他將內(nèi)存分頁(yè)比喻為停車場(chǎng)劃分停車位。停車位的劃分使得停車人尋找停車位時(shí)變得簡(jiǎn)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(shí)也使停車位的使用管理變得高效，停車場(chǎng)管理人員可以很容易判斷并發(fā)布停車位的空位信息。當(dāng)然，這可能只是內(nèi)存分頁(yè)的好處中的其中一個(gè)。

我們可以總結(jié)一下內(nèi)存分頁(yè)的使用場(chǎng)景：

有一塊大的 memory 空間

有很多 Users 要使用 memory

Users 使用 memory 的時(shí)間和空間大小不確定

那么當(dāng)我們?cè)?FPGA 設(shè)計(jì)中遇到這樣類似的場(chǎng)景時(shí)，便可以借鑒內(nèi)存分頁(yè)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(dāng)然，對(duì)于 memory 塊的劃分可能導(dǎo)致 memory 的浪費(fèi)，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(jì)者需要考慮的。

再往本質(zhì)里看，這其實(shí)是硬件設(shè)計(jì)上的一個(gè)“規(guī)整”問題。就像CPU指令集的設(shè)計(jì)，因?yàn)椴煌噶顚?duì) bit 利用的規(guī)整，簡(jiǎn)化了CPU的設(shè)計(jì)。規(guī)整即簡(jiǎn)單。

關(guān)于頁(yè)表分級(jí) - 時(shí)間換空間

頁(yè)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(duì)于 4KB 的頁(yè)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(gè)頁(yè)表，假如每個(gè)表項(xiàng)用 4 byte，那么頁(yè)表總共要用到 4MB 的內(nèi)存。這還只是一個(gè)進(jìn)程用到的空間。

頁(yè)表分級(jí)減少了頁(yè)表對(duì)內(nèi)存的使用量。用過兩級(jí)分頁(yè)（第一級(jí)頁(yè)目錄+第二級(jí)頁(yè)表），即先通過第一級(jí)頁(yè)目錄查找到頁(yè)表，再通過第二級(jí)頁(yè)表去查找頁(yè)，只有當(dāng)?shù)谝患?jí)的頁(yè)目錄項(xiàng)用到時(shí)才去分配第二級(jí)的頁(yè)表。舉個(gè)例子，假如頁(yè)目錄和頁(yè)表分別占用10-bit。頁(yè)目錄有2^10個(gè)項(xiàng) (一共占用 4KB 內(nèi)存)，假如頁(yè)目錄只有第一項(xiàng)被用到，那么我們只需要分配其對(duì)應(yīng)的頁(yè)表，這個(gè)頁(yè)表也是有2^10個(gè)項(xiàng) （一共占用 4KB 內(nèi)存），那么此時(shí)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(yè)表分級(jí)的場(chǎng)景：

多個(gè) Users 共用一份地址線訪問 memory

每個(gè) Users 都需要自己的 memory 空間

實(shí)際有效的 Users 的數(shù)目是動(dòng)態(tài)變化的

Users 對(duì) memory 空間的使用也是動(dòng)態(tài)變化的

遇到類似的場(chǎng)景我們便可以考慮將地址分級(jí)，對(duì) Users 動(dòng)態(tài)分配 memory 空間，幾個(gè) Users 甚至可以復(fù)用一份 memory，達(dá)到節(jié)省 memory 使用的目的。這樣做當(dāng)然增加了 memory 控制和管理的復(fù)雜度，也是設(shè)計(jì)上的 tradeoff。

再往本質(zhì)里看，這個(gè)場(chǎng)景其實(shí)利用了事件發(fā)生的時(shí)間上的差異。是時(shí)間“換”空間的概念，地址分級(jí)只是實(shí)現(xiàn)這個(gè)概念的一個(gè)手段。

總結(jié)

本文思考了內(nèi)存尋址的兩個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì) FPGA 設(shè)計(jì)的借鑒意義。很多時(shí)候，設(shè)計(jì)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(jì)。

來源： 本文轉(zhuǎn)載自FPGA開發(fā)之路 公眾號(hào)

審核編輯：湯梓紅