linux TLB表

Posted 2020-08-09

TLB - translation lookaside buffer

快表，直译为旁路快表缓冲，也可以理解为页表缓冲，地址变换高速缓存。

由于页表存放在主存中，因此程序每次访存至少需要两次：一次访存获取物理地址，第二次访存才获得数据。提高访存性能的关键在于依靠页表的访问局部性。当一个转换的虚拟页号被使用时，它可能在不久的将来再次被使用到，。

TLB是一种高速缓存，内存管理硬件使用它来改善虚拟地址到物理地址的转换速度。当前所有的个人桌面，笔记本和服务器处理器都使用TLB来进行虚拟地址到物理地址的映射。使用TLB内核可以快速的找到虚拟地址指向物理地址，而不需要请求RAM内存获取虚拟地址到物理地址的映射关系。这与data cache和instruction caches有很大的相似之处。

 

TLB原理

当cpu要访问一个虚拟地址/线性地址时，CPU会首先根据虚拟地址的高20位（20是x86特定的，不同架构有不同的值）在TLB中查找。如果是表中没有相应的表项，称为TLB miss，需要通过访问慢速RAM中的页表计算出相应的物理地址。同时，物理地址被存放在一个TLB表项中，以后对同一线性地址的访问，直接从TLB表项中获取物理地址即可，称为TLB hit。

想像一下x86_32架构下没有TLB的存在时的情况，对线性地址的访问，首先从PGD中获取PTE（第一次内存访问），在PTE中获取页框地址（第二次内存访问），最后访问物理地址，总共需要3次RAM的访问。如果有TLB存在，并且TLB hit，那么只需要一次RAM访问即可。

 

TLB表项

TLB内部存放的基本单位是页表条目，对应着RAM中存放的页表条目。页表条目的大小固定不变的，所以TLB容量越大，所能存放的页表条目越多，TLB hit的几率也越大。但是TLB容量毕竟是有限的，因此RAM页表和TLB页表条目无法做到一一对应。因此CPU收到一个线性地址，那么必须快速做两个判断：

1 所需的也表示否已经缓存在TLB内部（TLB miss或者TLB hit）

2 所需的页表在TLB的哪个条目内

为了尽量减少CPU做出这些判断所需的时间，那么就必须在TLB页表条目和内存页表条目之间的对应方式做足功夫

 

全相连 - full associative

在这种组织方式下，TLB cache中的表项和线性地址之间没有任何关系，也就是说，一个TLB表项可以和任意线性地址的页表项关联。这种关联方式使得TLB表项空间的利用率最大。但是延迟也可能相当的大，因为每次CPU请求，TLB硬件都把线性地址和TLB的表项逐一比较，直到TLB hit或者所有TLB表项比较完成。特别是随着CPU缓存越来越大，需要比较大量的TLB表项，所以这种组织方式只适合小容量TLB

直接匹配

每一个线性地址块都可通过模运算对应到唯一的TLB表项，这样只需进行一次比较，降低了TLB内比较的延迟。但是这个方式产生冲突的几率非常高，导致TLB miss的发生，降低了命中率。

比如，我们假定TLB cache共包含16个表项，CPU顺序访问以下线性地址块：1, 17 , 1, 33。当CPU访问地址块1时，1 mod 16 = 1，TLB查看它的第一个页表项是否包含指定的线性地址块1，包含则命中，否则从RAM装入；然后CPU方位地址块17，17 mod 16 = 1，TLB发现它的第一个页表项对应的不是线性地址块17，TLB miss发生，TLB访问RAM把地址块17的页表项装入TLB；CPU接下来访问地址块1，此时又发生了miss，TLB只好访问RAM重新装入地址块1对应的页表项。因此在某些特定访问模式下，直接匹配的性能差到了极点

组相连 - set-associative

为了解决全相连内部比较效率低和直接匹配的冲突，引入了组相连。这种方式把所有的TLB表项分成多个组，每个线性地址块对应的不再是一个TLB表项，而是一个TLB表项组。CPU做地址转换时，首先计算线性地址块对应哪个TLB表项组，然后在这个TLB表项组顺序比对。按照组长度，我们可以称之为2路，4路，8路。

经过长期的工程实践，发现8路组相连是一个性能分界点。8路组相连的命中率几乎和全相连命中率几乎一样，超过8路，组内对比延迟带来的缺点就超过命中率提高带来的好处了。

 

这三种方式各有优缺点，组相连是个折衷的选择，适合大部分应用环境。当然针对不同的领域，也可以采用其他的cache组织形式。

 

TLB表项更新

TLB表项更新可以有TLB硬件自动发起，也可以有软件主动更新

1. TLB miss发生后，CPU从RAM获取页表项，会自动更新TLB表项

2. TLB中的表项在某些情况下是无效的，比如进程切换，更改内核页表等，此时CPU硬件不知道哪些TLB表项是无效的，只能由软件在这些场景下，刷新TLB。

 

在linux kernel软件层，提供了丰富的TLB表项刷新方法，但是不同的体系结构提供的硬件接口不同。比如x86_32仅提供了两种硬件接口来刷新TLB表项：

1. 向cr3寄存器写入值时，会导致处理器自动刷新非全局页的TLB表项

2. 在Pentium Pro以后，invlpg汇编指令用来无效指定线性地址的单个TLB表项无效。

 

参考网址：http://www.xuebuyuan.com/597883.html