计算机原理 4.13 TLB

1、虚实地址转换过程存在的问题

命中的情况：

 

 

 首先，cpu基于虚拟地址访问MMU，在MMU中，由虚地址剥离出的虚页号与MMU中的页表寄存器进行偏移，得出在主存中的页表中的与虚页号对应的那个页表项的物理地址，从主存中将对应的那个页表项送到MMU中，由MMU判断由虚地址对应的物理页是否在主存当中，本次是命中的情况，也就是虚地址对应的物理页在主存中，那么将这个物理地址和虚地址中的页偏移量组合，形成与虚地址对应的在主存中的物理地址，然后基于这个物理地址去访问主存，就能得到与虚地址对应的那个数据。

不命中的情况（缺页）：

 

 

 首先，cpu基于虚地址去访问MMU，在MMU中，虚地址被拆分为虚页号和页偏移量，MMU基于虚页号和页表寄存器得到页表项的地址，基于页表项的地址去访问主存，主存将对应的页表项返回到MMU中，这次MMU判断这个物理页不在主存当中，也就是没有命中，即缺页的情况，因此就发生了缺页异常，这个时候在操作系统的参与下，会运行一个缺页异常处理程序，去将那个还存放在辅存中的与虚页号对应的物理页调入到主存中来，在这之前，需要调动替换算法，先把主存中的页表项中的一项先调到辅存中，腾出位置来，然后再把辅存中与虚页号对应的物理页调入到主存中。然后，缺页异常处理程序会给MMU返回一个缺页异常的处理结果，会告诉MMU这个问题已经处理完了，然后cpu还会继续执行刚才没有执行完的指令，也就是cpu会根据那个虚地址访问MMU，MMU根据虚页号和页表寄存器得出页表项的地址，基于页表项的地址去访问主存，主存将对应的页表项返回到MMU中，这次，MMU肯定会判断这个物理页在主存中，然后这个物理页结合页偏移量得出虚地址对应的主存中的物理地址，再基于这个物理地址去主存中访问，然后主存返回与虚地址相对应的数据。

由以上步骤可知，无论命中或不命中，cpu的效率都会降低，这是我们不希望看到的，所以引入了TLB

2、TLB的工作原理

根据局部性原理，增加一个小容量、告诉存储部件，存放当前访问页表地址变换条目，该存储部件称为TLB（Translation  Lookaside  Buffer：地址转换后备缓冲器)

TLB类似页表，也是PTE的集合（PTE就是页表项）。为实现对TLB的快速访问，类似于Cache中的映射方法，对来自于CPU的虚页号进行逻辑划分，得到相应的标记和索引字段。

 

 

 3、基于TLB的虚地址转换

 

 

 

 

 有了TLB之后，MMU不用再靠访问主存来得到虚拟页对应的物理页，而是靠访问TLB来获得。cpu基于虚拟地址访问MMU时，虚拟地址分为虚拟页号和页内偏移，而因为TLB存放的是页表的子集，所以仅靠虚拟页号是找不到具体页表项位置的，所以虚拟页号又分为了Tag和Index。用Tag和Index就能够准确的找到一个页表项的位置。然后取出页表项中的物理页号，与虚拟地址的页内偏移构成物理地址。然后MMU判断该物理地址是否在主存中，如果是就从主存中取出数据，如果不是，则抛出异常。调用缺页异常处理程序，把辅存中的物理地址拿到主存中。然后再执行和上面相同的操作。