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Virtual-Memory-Demo
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Virtual-Memory-Demo/doc/MVP-TODO.md

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MVP TODO - Unity 虚拟地址寻址模拟

此为 MVP 实现，时间要求紧，不需要太考虑代码结构，需要跨脚本访问的内容全用单例也没问题

0. 需求冻结（已确认）

  • 模式：单次地址翻译可视化 + 批量访问统计
  • 计算机位数：固定 32-bit
  • 虚拟地址有效位：固定 24-bit
  • 页大小：固定 4 KB
  • 访问次数 N：可配置
  • TLB：固定 8 条全相联 + LRU
  • 页表：固定二级页表（稀疏结构）
  • 物理内存：固定 1 MB（自动换算帧数）
  • 缺页替换：FIFO
  • 指标：TLB 命中率 / 页表命中率 / 缺页次数 / 平均访问开销
  • 交互：单步 / 连续播放 / 重置
  • 可视化：表格高亮 + 日志时间线 + 简单流程动画
  • 技术栈：Unity 2022 + C#

1. 总体分步计划

  1. Step 1：参数与核心数据模型
  2. Step 2：地址生成与拆分
  3. Step 3：TLB（LRU）实现
  4. Step 4：二级页表与缺页/FIFO
  5. Step 5：翻译引擎（单步状态机）
  6. Step 6：统计模块
  7. Step 7：UI 绑定与流程动画
  8. Step 8：联调、测试、验收

2. Step 1 - 参数与核心数据模型

TODO

  • 创建脚本目录：Assets/Scripts/Core、Assets/Scripts/Simulation、Assets/Scripts/UI
  • 新建 SimulationConfig.cs：定义可输入参数
  • 新建 ConfigValidator.cs：参数合法性校验
  • 新建 AddressParts.cs：保存 VPN / offset / L1Index / L2Index
  • 新建 SimulationState.cs：保存当前轮次、当前虚拟地址、是否缺页等

输入字段（MVP）

  • machineBits：固定 32
  • vaBits：固定 24
  • pageSizeKB：固定 4
  • physicalMemoryMB：固定 1
  • tlbEntries：固定 8
  • accessCount：正整数
  • pageFaultPenalty：默认 100（抽象开销单位）

校验规则

  • pageSizeKB 必须是 2 的幂
  • offsetBits = log2(pageSizeBytes) 且 offsetBits < vaBits
  • frameCount = floor(physicalMemoryBytes / pageSizeBytes) 且 frameCount >= 1
  • 非法输入返回明确错误文本（用于 UI 提示）

完成标准

  • 给定任意合法参数，能计算全部派生参数并通过校验
  • 任意非法输入都能得到可读错误信息

3. Step 2 - 地址生成与拆分

TODO

  • 新建 AddressGenerator.cs：生成 [0, 2^vaBits - 1] 范围虚拟地址
  • 新建 AddressTranslatorUtils.cs：拆分 VPN + offset
  • 实现二级页表索引位拆分

拆分规则

  • vpnBits = vaBits - offsetBits
  • l1Bits = ceil(vpnBits / 2)
  • l2Bits = floor(vpnBits / 2)
  • 从 VPN 拆出 L1Index 和 L2Index

完成标准

  • 控制台可打印每次地址拆分结果
  • 固定 24 位 VA 场景下拆分结果正确

4. Step 3 - TLB（全相联 + LRU）

TODO

  • 新建 TlbEntry.cs：VPN -> PFN 映射及有效位
  • 新建 TlbCache.cs：查询、更新、淘汰
  • 使用 Dictionary + LinkedList 实现 O(1) 级 LRU

行为要求

  • Lookup(vpn)：命中返回 PFN，未命中返回失败
  • InsertOrUpdate(vpn, pfn)：已存在则更新并置为最近使用
  • 超出容量时淘汰最久未使用项

完成标准

  • 构造用例可验证 LRU 淘汰顺序正确
  • 连续访问时命中统计准确

5. Step 4 - 二级页表 + 缺页 + FIFO

TODO

  • 新建 TwoLevelPageTable.cs：Dictionary<L1, Dictionary<L2, PTE>>
  • 新建 PageTableEntry.cs：PFN / present / dirty(可选)
  • 新建 PhysicalMemoryManager.cs：空闲帧管理 + FIFO 队列
  • 缺页时分配空闲帧；无空闲帧时 FIFO 淘汰
  • 淘汰后同步页表项状态（present = false）

行为要求

  • 页表命中：TLB 未命中后，页表中有 present = true 映射
  • 缺页：页表不存在或 present = false
  • 装入页面后写回页表并更新 TLB

完成标准

  • 能稳定运行大量访问（例如 N=10000）无崩溃
  • FIFO 次序可从日志中验证

6. Step 5 - 翻译引擎（单步状态机）

TODO

  • 新建 TranslatorEngine.cs
  • 定义步骤枚举：
  • GenerateVA
  • SplitVA
  • LookupTLB
  • LookupPageTable
  • HandlePageFault
  • ComposePA
  • Finalize
  • 提供 StepOnce() 与 RunOneAccess() 两种执行接口

完成标准

  • 单步执行能暂停在每个阶段并暴露当前状态
  • 一次完整访问流程结果与预期一致

7. Step 6 - 统计模块

TODO

  • 新建 StatsCollector.cs
  • 累计：totalAccess、tlbHit、pageTableHit、pageFault
  • 计算：tlbHitRate、pageTableHitRate、avgCost

开销模型（MVP）

  • TLB 命中：+1
  • TLB miss + 页表命中：+4
  • 缺页：+4 + pageFaultPenalty

完成标准

  • 指标在单步和批量模式下都持续更新
  • 批量完成后给出最终汇总

8. Step 7 - UI 绑定与流程动画

TODO

  • 新建主场景 Main.unity
  • 参数面板：固定规格展示（位数/页大小/物理内存/TLB）+ 可调参数（N/开销/地址模式）
  • 控制按钮：单步、连续播放、暂停、重置
  • 流程节点 UI：当前步骤高亮（颜色 + 轻动画）
  • 表格区：TLB、页表关键条目、FIFO 队列
  • 日志时间线：每次访问的关键事件文本
  • 指标区：四项核心指标实时显示

字段绑定对照（Step 7）

  • SimulationUiController.configInputView -> 挂有 SimulationConfigInputView 的对象

  • SimulationUiController.controlView -> 挂有 SimulationControlView 的对象

  • SimulationUiController.dashboardView -> 挂有 SimulationDashboardView 的对象

  • SimulationUiController.tablesView -> 挂有 SimulationTablesView 的对象

  • SimulationUiController.traceView -> 挂有 SimulationTraceView 的对象（拆分/分支解释）

  • SimulationUiController.compactEventView -> 主视图短事件流（建议 5-8 条）

  • SimulationUiController.detailTimelineView -> 详细日志时间线（可放在抽屉中）

  • SimulationUiController.processHeaderView -> 流程主标题与当前事件

  • SimulationUiController.flowAnimator -> 挂有 StepFlowAnimator 的对象

  • SimulationUiController.detailDrawerView -> 挂有 SimulationDetailDrawerView 的对象

  • SimulationUiController.playIntervalSeconds -> 连续播放间隔秒数

  • SimulationConfigInputView.fixedCoreSpecText -> 固定核心规格说明文本（32位机/24位VA/4KB页/1MB物理内存/TLB 8条全相联）

  • SimulationConfigInputView.machineBitsInput -> 计算机位数显示输入框（只读，固定32）

  • SimulationConfigInputView.vaBitsDropdown -> 虚拟地址位数下拉（只读，固定24）

  • SimulationConfigInputView.pageSizeKBInput -> 页大小 KB 输入框（只读，固定4）

  • SimulationConfigInputView.physicalMemoryMBInput -> 物理内存 MB 输入框（只读，固定1）

  • SimulationConfigInputView.tlbEntriesInput -> TLB 条目数输入框（只读，固定8）

  • SimulationConfigInputView.accessCountInput -> 访问次数 N 输入框

  • SimulationConfigInputView.pageFaultPenaltyInput -> 缺页惩罚输入框

  • SimulationConfigInputView.addressModeDropdown -> 地址模式下拉（Random/SequentialArrayLoop）

  • SimulationConfigInputView.arrayLengthBytesInput -> 数组总长度（bytes）

  • SimulationConfigInputView.arrayElementBytesInput -> 数组元素大小（bytes）

  • SimulationConfigInputView.arrayBaseAddressInput -> 数组基址（十进制）

  • SimulationControlView.stepButton -> 单步 按钮

  • SimulationControlView.playButton -> 连续播放 按钮

  • SimulationControlView.pauseButton -> 暂停 按钮

  • SimulationControlView.resetButton -> 重置 按钮

  • SimulationDashboardView.stateSummaryText -> 当前步骤/地址拆分/命中状态文本

  • SimulationDashboardView.statsText -> 统计指标文本

  • SimulationDashboardView.errorText -> 参数错误提示文本

  • SimulationTablesView.tlbText -> TLB 表格文本区

  • SimulationTablesView.pageTableText -> 页表关键条目文本区

  • SimulationTablesView.fifoText -> FIFO 队列文本区

  • SimulationTraceView.splitTraceText -> 地址拆分可视化文本

  • SimulationTraceView.pageTableTraceText -> 多级页表查询路径文本

  • SimulationTraceView.decisionReasonText -> 当前分支原因文本

  • SimulationTraceView.pathSummaryText -> 当前访问路径摘要文本

  • SimulationTimelineView.logContainer -> 日志内容容器（建议 VerticalLayoutGroup）

  • SimulationTimelineView.logItemPrefab -> 单条日志 TMP_Text 预制体

  • SimulationTimelineView.logScrollRect -> 日志滚动视图

  • SimulationTimelineView.maxLogEntries -> 日志最大保留条数（建议 200）

  • SimulationProcessHeaderView.currentStepText -> 当前步骤文本（流程主区）

  • SimulationProcessHeaderView.currentEventText -> 当前关键事件文本（流程主区）

  • SimulationDetailDrawerView.drawerRoot -> 细节抽屉根节点

  • SimulationDetailDrawerView.dashboardTabRoot -> Dashboard 页签内容根节点

  • SimulationDetailDrawerView.tablesTabRoot -> Tables 页签内容根节点

  • SimulationDetailDrawerView.eventsTabRoot -> Events 页签内容根节点（detailEventFlow）

  • SimulationDetailDrawerView.openOnStart -> 抽屉是否默认展开

  • SimulationDetailDrawerView.dashboardTabButton -> Drawer 内 Dashboard Tab 按钮

  • SimulationDetailDrawerView.tablesTabButton -> Drawer 内 Tables Tab 按钮

  • SimulationDetailDrawerView.eventsTabButton -> Drawer 内 Events Tab 按钮

  • SimulationDetailDrawerView.closeDrawerButton -> Drawer 内关闭按钮

  • 主界面 Info 按钮 -> SimulationUIController.OpenDetailDrawer()

  • StepFlowAnimator.stepNodes(7项) -> GenerateVA/SplitVA/LookupTLB/LookupPageTable/HandlePageFault/ComposePA/Finalize 节点

  • StepFlowAnimator.stepNodes[].target -> 节点 RectTransform

  • StepFlowAnimator.stepNodes[].canvasGroup -> 节点 CanvasGroup

  • StepFlowAnimator.stepNodes[].background -> 节点背景 Image

  • StepFlowAnimator.accessPulseTarget -> 完整访问完成时做脉冲动画的容器节点

完成标准

  • UI 上可完整观察一次访问的每个阶段
  • 连续播放期间 UI 不冻结，可暂停/恢复

9. Step 8 - 联调、测试、验收

测试清单

  • 参数边界：最小/最大可接受输入
  • 固定规格回归：32位机 + 24位VA + 4KB页 + 1MB物理内存
  • 固定规格下参数覆盖：访问次数 / 缺页惩罚 / 地址生成模式
  • 小样本可视化：N=10
  • 大样本稳定性：N=10000
  • TLB 固定容量验证：8 条全相联 + LRU 顺序正确
  • 物理内存极小场景：高缺页率验证 FIFO

验收标准

  • 功能覆盖需求冻结清单
  • 四项指标数值可解释且趋势合理
  • 单步、连续播放、重置均可稳定使用
  • 控制台无持续异常错误

10. 预计工时（MVP）

  • Step 1-2：4-6 小时
  • Step 3-4：6-10 小时
  • Step 5-6：3-5 小时
  • Step 7：6-8 小时
  • Step 8：2-4 小时
  • 合计：约 21-33 小时（约 3-4.5 天）

11. 首日执行建议（直接开工）

  • 先完成 Step 1（参数模型 + 校验）
  • 紧接 Step 2（地址拆分）
  • 当天收尾前完成 Step 3（TLB LRU 最小可运行）