# VMdemo

一个基于 Unity 的虚拟存储器地址转换可视化项目，用来演示从虚拟地址到物理地址的翻译过程，以及 TLB、二级页表、缺页中断与页面置换在一次内存访问中的作用。

项目目标不是做一个“黑盒计算器”，而是把一次地址访问拆成可观察、可暂停、可回放的步骤，方便课程讲解、实验演示和自学理解。

## 项目内容

当前项目围绕一次虚拟地址访问，提供以下可视化能力：

- 单步执行地址翻译流程
- 连续播放整段访问过程
- 展示 TLB、页表、FIFO 队列的实时状态
- 展示当前访问路径、关键决策原因和事件时间线
- 实时统计 TLB 命中率、页表命中率、缺页次数、平均访问开销
- 支持不同地址生成方式，观察局部性对命中率的影响

## 模拟规格

本项目当前采用固定核心规格：

| 项目 | 设定 |
| --- | --- |
| 机器位数 | 32-bit |
| 虚拟地址有效位 | 24-bit |
| 页大小 | 4 KB |
| 物理内存 | 1 MB |
| TLB | 8 项，全相联，LRU 替换 |
| 页表 | 二级页表，稀疏结构 |
| 页面置换 | FIFO |

可调参数主要包括：

- 访问次数 `N`
- 缺页惩罚 `pageFaultPenalty`
- 地址生成模式
- 顺序数组访问模式下的数组长度、元素大小、数组基址

目前支持两种地址生成模式：

- `RandomUniform`：在虚拟地址空间内均匀随机生成地址
- `SequentialArrayLoop`：按数组元素顺序循环访问，适合观察局部性

## 地址翻译流程

项目中的翻译引擎按以下步骤推进：

1. `GenerateVA`：生成本轮虚拟地址
2. `SplitVA`：拆分出 `VPN / offset / L1 / L2`
3. `LookupTLB`：查询 TLB
4. `LookupPageTable`：TLB 未命中后查询二级页表
5. `HandlePageFault`：页表未命中时分配页框并处理 FIFO 置换
6. `ComposePA`：合成物理地址
7. `Finalize`：记录统计信息并结束本轮访问

访问开销模型如下：

- TLB 命中：`+1`
- TLB miss + 页表命中：`+4`
- 缺页：`+4 + pageFaultPenalty`

## 可视化界面

主场景中会展示几类关键信息：

- 控制区：单步、连续播放、暂停、重置
- 配置区：访问次数、缺页惩罚、地址生成模式等输入
- 流程区：当前处于哪一个地址翻译步骤
- 表格区：TLB、页表关键项、FIFO 队列
- 追踪区：地址拆分、查询路径、当前决策原因
- 时间线区：每轮访问的事件日志
- 统计区：命中率、缺页次数、平均开销

## 技术栈

- Unity `2022.3.62f3c1`
- C#
- TextMesh Pro
- Unity UI
- Unity Test Framework
- DOTween

## 运行方式

### 1. 打开项目

使用 Unity Hub 安装并选择 `Unity 2022.3.62f3c1`，然后打开项目根目录：

```text
C:\UnityProjects\VMdemo
```

### 2. 打开主场景

在 Unity 中打开：

```text
Assets/Scenes/Main.unity
```

### 3. 运行

点击 Play 后：

1. 根据需要调整访问次数、缺页惩罚和地址模式
2. 点击“单步”逐阶段观察地址翻译
3. 点击“连续播放”观察批量访问统计变化
4. 点击“暂停”或“重置”中断当前模拟

## 项目结构

```text
Assets/
  Scenes/         主场景
  Scripts/
    Core/         配置、校验、地址拆分等基础模型
    Simulation/   TLB、页表、物理内存、翻译引擎、统计模块
    UI/           界面控制、表格渲染、日志时间线、流程动画
  Tests/
    EditMode/     核心逻辑的编辑器测试
doc/              讲解材料、设计草稿与 TODO
Packages/         Unity 包依赖
ProjectSettings/  Unity 项目设置
```

## 关键脚本

- `Assets/Scripts/Core/SimulationConfig.cs`：模拟配置与固定规格定义
- `Assets/Scripts/Core/ConfigValidator.cs`：参数合法性校验与派生量计算
- `Assets/Scripts/Simulation/TranslatorEngine.cs`：地址翻译主流程状态机
- `Assets/Scripts/Simulation/TlbCache.cs`：TLB 查询与 LRU 替换
- `Assets/Scripts/Simulation/TwoLevelPageTable.cs`：二级页表实现
- `Assets/Scripts/Simulation/PhysicalMemoryManager.cs`：页框分配与 FIFO 管理
- `Assets/Scripts/Simulation/StatsCollector.cs`：统计指标计算
- `Assets/Scripts/UI/SimulationUIController.cs`：主界面交互与数据绑定

## 测试

项目包含一组编辑器测试，覆盖核心逻辑：

- Step 1：参数与核心数据模型
- Step 2：地址拆分
- Step 3：TLB 与 LRU
- Step 4：二级页表与 FIFO 置换
- Step 5：翻译引擎状态机
- Step 6：统计模块

相关测试位于：

```text
Assets/Tests/EditMode
```

可在 Unity Test Runner 中运行 EditMode Tests。

## 适用场景

这个项目适合用于：

- 操作系统课程中讲解虚拟存储器和地址翻译流程
- 展示 TLB 命中、页表命中、缺页之间的区别
- 对比随机访问与顺序访问对局部性的影响
- 作为后续扩展页面置换算法、页表结构或缓存模型的基础工程

## 后续可扩展方向

- 增加更多页面置换算法，例如 LRU / Clock
- 增加多种页表组织方式的切换
- 加入更细的访问耗时模型
- 增加截图、录屏或实验报告导出能力
- 增加更多教学案例预设

## 文档

仓库中的 `doc/` 目录保存了开发过程中的讲解资料与草稿，例如：

- `doc/MVP-TODO.md`
- `doc/dialog.md`

这些文档更偏向设计记录，正式使用说明以本 README 为准。