5.3 KiB
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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：
GenerateVA：生成本轮虚拟地址SplitVA：拆分出VPN / offset / L1 / L2LookupTLB：查询 TLBLookupPageTable：TLB 未命中后查询二级页表HandlePageFault：页表未命中时分配页框并处理 FIFO 置换ComposePA：合成物理地址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：
C:\UnityProjects\VMdemo
2. 打开主场景
在 Unity 中打开：
Assets/Scenes/Main.unity
3. 运行
点击 Play 后：
- 根据需要调整访问次数、缺页惩罚和地址模式
- 点击“单步”逐阶段观察地址翻译
- 点击“连续播放”观察批量访问统计变化
- 点击“暂停”或“重置”中断当前模拟
项目结构
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：
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.mddoc/dialog.md
这些文档更偏向设计记录，正式使用说明以本 README 为准。