【软件开发底层知识修炼】四 深入浅出处理器之四 结合高速缓存以及TLB与虚拟内存

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文章目录

• 0、回顾
• 1、高速缓存（Cache）的引入
• 2、利用TLB加速地址翻译
• 3、Cache与物理内存是如何映射的
• • 3.1、直接映射法：
  • 3.2、直接映射原理
  • 3.3、直接映射法的特点
• 4、总结

上一篇文章学习了（点击链接查看上一篇文章上一篇文章）：

• 虚拟内存的概念与交换区的概念

• MMU的作用

• 虚拟内存机制的意义

  • 虚拟内存作为内存管理工具
  • 虚拟内存作为内存保护工具

• 页表的概念

• 页命中与缺页

• 程序的局部性在虚拟内存中的作用

• MMU的地址翻译过程

0、回顾

回顾上一篇文章，这里再补充一下：

• 当页命中时，CPU硬件执行的步骤

注释：VA：虚拟地址 PTEA：页表条目地址 PTE：页表条目

如上图，CPU的执行步骤如下：

1. 处理器生成一个虚拟地址，并把它传送给MMU
2. MMU生成PTE地址，并从高速缓存/物理内存请求得到它
3. 高速缓存/物理内存向MMU返回PTE
4. PTE中的有效位是0，所以MMU触发了一次异常，传递CPU中的控制到操作系统内核中的缺页异常处理程序
5. 缺页异常处理程序确定出物理内存中的牺牲页，如果这个页面被修改了，就将它换出道磁盘
6. 缺页异常处理程序将需要的页面调入到高速缓存/物理内存，并更新内存中的PTE
7. 缺页异常处理程序返回到原来的进程，再次执行导致缺页的指令。CPU将引起缺页的地址再次发送给MMU。因为虚拟页面现在缓存在物理内存中了，所以此次就会命中，物理内存就会将所请求的数据或者指令返回给CPU

可以看到，页命中与缺页的前三步，都是一样的。我们还可以总结出一个重要的结论：
页命中完全是由硬件来处理的，而缺页，却是由硬件和操作系统内核共同完成的。

1、高速缓存（Cache）的引入

看看上面分析页命中与缺页的过程中，出现了高速缓存，如果只有物理内存很好理解，现在出现高速缓存是啥意思/p>

学习过上一篇文章，我们应该可以理解页命中，缺页这些简单的概念以及虚拟地址的寻址过程（如果不明白，建议先学习上一篇文章）。

我们知道，CPU寻址时，从内存中获取指令与数据的时间还是相当大的（CPU的速度远远大于内存的速度）。所以高速缓存（Cache）就出现了。

• Cache是一种小容量高速存储器
• Cache的存取速度与CPU的运算速度几乎同量级
• Cache在现代计算机系统中直接内置于处理器芯片中
• 在处理器和内存之间设置cache（精确来讲是将Cache放在MMU与物理内存之间）
• 把内存中被频繁访问的数据和指令复制到cache中
• 页表也在内存中，将被频繁访问的PTE，复制到Cache中
• 大多数情况下，CPU可以直接从cache中取指令与数据

如下图，我们先来看一个高速缓存与虚拟内存结合的例子，看看此时CPU的访问过程：

1. CPU产生一个虚拟地址
2. 第二部和第三部是MMU从TLB中取出相应的PTE
3. MMU将这个虚拟地址翻译成一个物理地址，并将它发送到高速缓存/物理内存。
4. 高速缓存/物理内存将所请求的数据字返回给CPU

我们可以看到，TLB是虚拟寻址的缓存。

下面再来看看TLB不命中时，是如何执行的

注意：任意一个物理内存块都可以映射到唯一固定的cache块（物理内存不同的块，可以映射到同一个cache块）。

3.2、直接映射原理

比如我们想要访问某一个物理地址，我们如何知道这个地址是否在cache中者如何知道它在cache中的位置/p>

首先，现在只有一个物理地址，需要根据这个物理地址进行判断。

看下面，对物理地址有一个划分：

3.3、直接映射法的特点

我们已经知道，直接映射法，很有可能不同的物理内存块映射到相同的cache块。所以直接映射法这样会导致缓存失效。但是直接映射法过程简单，所需耗时短！！

4、总结

下面笼统的用流程图概括一下处理器的数据访问过程：

本篇文章学会了以下内容;

• 高速缓存的作用
• TLB的作用
• 物理内存与cache之间的映射原理

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