全面学习理解TLB（Translation Look-aside Buffer）地址变换高速缓存

Posted 2020-10-12 偷懒人

 

前言：

本文学习思路是：存在缘由   --> 存在好处 --> 定义性质 --> 具体分析

存在缘由：

由于地址映射（从虚拟地址转换成物理地址）需要的开销开大。

转换过程如下：

1. 第一次访问内存是访问页表，取出虚拟页对应的物理页。
2. 第二次访问内存是访问实际内存地址。

为了提高效率，现代CPU都包含了一个特殊Cache来跟踪最近使用过的地址变换，这个就是TLB。

 

明显好处：

如果有了TLB，那么地址转换变成如下过程：

1. 第一次访问TLB，得到虚拟页对应的物理页
2. 第二次访问的是内存，访问实际地址。

这样就省去了一次访问内存的时间，大大提高了效率。

 

概念概括：

TLB英文全称：Translation Look-aside Buffer

TLB中文全称：地址变换高速缓存

TLB中文简称：快表

TLB实际性质：它是一种cache

 

TLB的每一项中包含

1. 有效位(valid)。现在的计算机基本都是使用虚拟存储器，简单来说就是假如你要打开一个很大的程序，它不会把所有的文件都加载进内存。当需要用的内容不在内存上时，它再去硬盘上找并加载到内存。故，有效位的作用就是，假如是0，就代表该页不在内存中，需要去硬盘中找。
2. 引用位(reference)。由于TLB中的项数是一定的，所以当有新的TLB项需要进来但是又满了的话，如果根据LRU算法，就将最近最少使用的项替换成新的项。故需要引用位。同时要注意的是，页表中也有引用位。
3. 脏位(dirty)。现在的计算机基本都是使用虚拟存储器，简单来说就是假如你要打开一个很大的程序，它不会把所有的文件都加载进内存。当需要用的内容不在内存上时，它再去硬盘上找并加载到内存。故脏位的作用就是，当内存上的某个块需要被新的块替换时，它需要根据脏位判断这个块之前有没有被修改过，如果被修改过，先把这个块更新到硬盘再替换，否则就直接替换。
4. 物理页号。

 

利用TLB进行快速地址转换的过程图

       

 

 

过程描述如下：

    首先，先去TLB中根据标志Tag寻找，假如找到了并且有效位是1，说明TLB命中了，那么直接就可以从TLB中获取该虚拟页号对应的物理页号。假如有效位是0，说明该页不在内存中，这时候就发生缺页异常，CPU需要先去外存中将该页调入内存并将页表和TLB更新。

    假如在TLB中没有找到，那么就去页表（Page Table）中寻找（以虚拟页号为索引），假如找到了并且有效位是1，那么就可以取出对应的物理页号。假如有效位是0，说明该页不在内存中，这时候就发生缺页异常，CPU需要先去外存中将该页调入内存并将页表和TLB更新。

    假如在页表中没有找到，也是缺页。同意会执行上述的缺页处理。

    （不管从哪获取到物理页号，都可以根据规则组拼成实际物理地址，然后就可以访存去数据啦）

 

引用位、脏位何时更新？

    页表和TLB都有这两个标志位。如果是TLB命中，那么引用位就会被置1，当TLB或页表满时，就会根据该引用位选择适合的替换位置。如果TLB命中且这个访存操作是个写操作，那么脏位就会被置1，表明该页被修改过，当该页要从内存中移除时会先执行将该页写会外存的操作，保证数据被正确修改。

    当TLB的某一项要被替换时，它的引用位和脏位都会被更新会页表。

 

补充：

    虚拟地址转换成物理地址的简略图（没有TLB只有页表时的情况）

 

 

  

 

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