这一部分对应的是讲座的 lec 28~lec 30(b 大上的参考课程为[Summer 20])，在这一部分，讲座将视角从硬件视角转换至软件 – 硬件接口的相关模块，即操作系统(OS)与虚拟内存(VM)。作为软硬交互的重要媒介，操作系统本身就是数据通路、模块控制、缓存与流水线设计的集成实现。在这一讲中，我们将从OS的基本概念和职责出发，延续“层次抽象”这一概念，并最终实现隔离与抽象两个核心目标。
Operating System
事实上，OS 是主机启动后运行的第一个程序：BIOS/UEFI 完成硬件自检和初始化后，会按照预设的启动顺序（如从硬盘、U盘、网络等）读取存储设备的主引导记录（MBR）或EFI系统分区中的引导程序（Bootloader）至内存并执行。引导程序随后负责加载操作系统内核映像到内存中，并将控制权移交给它
为什么需要将其设为第一个执行的程序？OS 在建立时，会统计和初始化当前设备上的所有可用外设，并激活对应的串口，为后续的软件调用提供系统调用(Syscall)接口。此外，OS 同时还负责对接下来运行的所有进程进行资源分配和调度管理。通过时间片轮换程序实现并发运行，从而提高设备利用效率。
基础的调度管理功能除了能提高系统效率，也为裸机提供了一定程度上的保护，通过在用户模式（User Mode）下发起的系统调用请求或触发的异常，CPU会通过陷阱（Trap）机制自动切换到内核模式（Kernel Mode），使得操作系统内核得以接管并执行特权操作。在处理完毕后，操作系统返回用户模式。这种机制有效隔离了用户程序与内核，防止了程序的无意错误或恶意行为破坏系统的稳定性和安全性
这其实是层次化的一种体现，硬件提供特权模式位（Privilege Mode Bit）和陷阱机制，OS利用模式及切换机制进行封装后来构建安全边界，只对上层暴露必要的请求接口。
Virtual Memory
在编译和链接阶段，程序被组织成从一个固定的起始地址（例如0x400000）开始。当进程被创建时，操作系统为其构建一个独立的虚拟地址空间，这使得每个进程都‘认为’自己独享整个CPU的寻址空间，从0开始。这并非物理内存中的真实地址（PA），而是程序使用的虚拟地址（VA）
那么显然问题就出现了：
- 操作系统如何进行 $\text{VA}\rightarrow \text{PA}$的映射？
- 如何确保每个映射的位置以及未来使用的空间各自独立？
lec 29 对上述问题给出了具体解释与实现，它通过页与页表(Page and Page Table)这一机制进行隔离。
页(Page)
页是虚拟内存和物理内存中固定大小的块(Block) 前者称之为虚拟页，后者物理页
页表(Page Table)
顾名思义，页表为页的集合，它是一个映射表，通过将虚拟页帧号映射到物理页帧号，并提供相应的权限位来辅助 Mem 进行读写。
那么计算方式显然：
$$\text{PA} = \text{PPN} + \text{Offset}_{P}\\\text{VA} = \text{VPN} + \text{Offset}_V$$
当访问的 VA 不存在时，OS 会抛出一个缺页异常(Page Fault Exception)，经由相关的系统调用从磁盘加载对应页表到内存，然后回到中断现场，重新当前指令。
多级页表
很好理解的一个概念——多级页表是一种高效管理稀疏大地址空间的技术。它采用层次化结构，类似于书籍的‘章-节-页’目录。如果某一章（一级页表项）根本不存在，那么就无需为其分配任何‘节’（二级页表）的内存空间，从而极大地节省了内存占用。
TLB – 转换检测缓冲区
我们注意到，每次地址转换都可能需要一次甚至多次（对于多级页表）内存访问来查找页表，这会带来巨大的性能开销。
那么类似于 Cache ，我们在这引进了一个快速的硬件缓存，通过储存最近的 $\text{VPN}\rightarrow\text{PPN}$映射，显著降低寻址时的时间开销。其查找速度极快，通常只需1个时钟周期。当CPU需要转换地址时，它首先在TLB中查找，若找到（TLB命中）则直接获得物理地址；若未找到（TLB缺失），才需要执行耗时的页表遍历（Page Table Walk）操作
它的更新机制和 Cahce 类似，此处不再赘述。
上下文切换与TLB
当操作系统进行进程上下文切换时，由于新进程拥有不同的虚拟地址空间和页表，当前TLB中缓存的所有映射对新进程无效。一种简单的做法是在切换时清空（冲刷）整个TLB。然而，这会导致新进程刚开始运行时产生大量TLB缺失，性能下降。为了优化性能，现代CPU架构为TLB条目增加了地址空间标识符（ASID）标签。ASID像进程ID一样，可以区分不同进程的映射，从而允许不同进程的转换条目共存于TLB中，无需在每次上下文切换时都清空TLB，极大地减少了性能开销
这其实反映了系统设计时的一个优化问题：对当前子系统进行修改的影响是全局的，因此修改时需要进行全局考量
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