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# VMdemo
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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。
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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。
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## 项目内容
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当前项目围绕一次虚拟地址访问，提供以下可视化能力：
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- 单步执行地址翻译流程
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- 连续播放整段访问过程
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- 展示 TLB、页表、FIFO 队列的实时状态
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- 展示当前访问路径、关键决策原因和事件时间线
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- 实时统计 TLB 命中率、页表命中率、缺页次数、平均访问开销
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- 支持不同地址生成方式，观察局部性对命中率的影响
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## 模拟规格
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本项目当前采用固定核心规格：
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| 项目 | 设定 |
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| 机器位数 | 32-bit |
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| 虚拟地址有效位 | 24-bit |
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| 页大小 | 4 KB |
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| 物理内存 | 1 MB |
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| TLB | 8 项，全相联，LRU 替换 |
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| 页表 | 二级页表，稀疏结构 |
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| 页面置换 | FIFO |
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可调参数主要包括：
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- 访问次数 `N`
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- 缺页惩罚 `pageFaultPenalty`
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- 地址生成模式
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- 顺序数组访问模式下的数组长度、元素大小、数组基址
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目前支持两种地址生成模式：
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- `RandomUniform`：在虚拟地址空间内均匀随机生成地址
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- `SequentialArrayLoop`：按数组元素顺序循环访问，适合观察局部性
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## 地址翻译流程
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项目中的翻译引擎按以下步骤推进：
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1. `GenerateVA`：生成本轮虚拟地址
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2. `SplitVA`：拆分出 `VPN / offset / L1 / L2`
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3. `LookupTLB`：查询 TLB
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4. `LookupPageTable`：TLB 未命中后查询二级页表
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5. `HandlePageFault`：页表未命中时分配页框并处理 FIFO 置换
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6. `ComposePA`：合成物理地址
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7. `Finalize`：记录统计信息并结束本轮访问
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访问开销模型如下：
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- TLB 命中：`+1`
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- TLB miss + 页表命中：`+4`
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- 缺页：`+4 + pageFaultPenalty`
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## 可视化界面
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主场景中会展示几类关键信息：
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- 控制区：单步、连续播放、暂停、重置
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- 配置区：访问次数、缺页惩罚、地址生成模式等输入
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- 流程区：当前处于哪一个地址翻译步骤
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- 表格区：TLB、页表关键项、FIFO 队列
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- 追踪区：地址拆分、查询路径、当前决策原因
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- 时间线区：每轮访问的事件日志
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- 统计区：命中率、缺页次数、平均开销
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## 技术栈
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- Unity `2022.3.62f3c1`
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- C#
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- TextMesh Pro
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- Unity UI
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- Unity Test Framework
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- DOTween
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## 运行方式
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### 1. 打开项目
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使用 Unity Hub 安装并选择 `Unity 2022.3.62f3c1`，然后打开项目根目录：
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C:\UnityProjects\VMdemo
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```
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### 2. 打开主场景
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在 Unity 中打开：
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Assets/Scenes/Main.unity
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```
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### 3. 运行
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点击 Play 后：
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1. 根据需要调整访问次数、缺页惩罚和地址模式
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2. 点击“单步”逐阶段观察地址翻译
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3. 点击“连续播放”观察批量访问统计变化
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4. 点击“暂停”或“重置”中断当前模拟
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## 项目结构
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```text
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Assets/
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Scenes/ 主场景
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Scripts/
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Core/ 配置、校验、地址拆分等基础模型
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Simulation/ TLB、页表、物理内存、翻译引擎、统计模块
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UI/ 界面控制、表格渲染、日志时间线、流程动画
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Tests/
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EditMode/ 核心逻辑的编辑器测试
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doc/ 讲解材料、设计草稿与 TODO
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Packages/ Unity 包依赖
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ProjectSettings/ Unity 项目设置
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## 关键脚本
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- `Assets/Scripts/Core/SimulationConfig.cs`：模拟配置与固定规格定义
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- `Assets/Scripts/Core/ConfigValidator.cs`：参数合法性校验与派生量计算
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- `Assets/Scripts/Simulation/TranslatorEngine.cs`：地址翻译主流程状态机
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- `Assets/Scripts/Simulation/TlbCache.cs`：TLB 查询与 LRU 替换
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- `Assets/Scripts/Simulation/TwoLevelPageTable.cs`：二级页表实现
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- `Assets/Scripts/Simulation/PhysicalMemoryManager.cs`：页框分配与 FIFO 管理
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- `Assets/Scripts/Simulation/StatsCollector.cs`：统计指标计算
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- `Assets/Scripts/UI/SimulationUIController.cs`：主界面交互与数据绑定
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## 测试
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项目包含一组编辑器测试，覆盖核心逻辑：
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- Step 1：参数与核心数据模型
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- Step 2：地址拆分
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- Step 3：TLB 与 LRU
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- Step 4：二级页表与 FIFO 置换
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- Step 5：翻译引擎状态机
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- Step 6：统计模块
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相关测试位于：
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```text
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Assets/Tests/EditMode
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可在 Unity Test Runner 中运行 EditMode Tests。
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## 适用场景
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这个项目适合用于：
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- 操作系统课程中讲解虚拟存储器和地址翻译流程
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- 展示 TLB 命中、页表命中、缺页之间的区别
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- 对比随机访问与顺序访问对局部性的影响
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- 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
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## 后续可扩展方向
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- 增加更多页面置换算法，例如 LRU / Clock
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- 增加多种页表组织方式的切换
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- 加入更细的访问耗时模型
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- 增加截图、录屏或实验报告导出能力
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- 增加更多教学案例预设
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## 文档
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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：
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- `doc/MVP-TODO.md`
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- `doc/dialog.md`
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这些文档更偏向设计记录，正式使用说明以本 README 为准。
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