高速缓冲器（缓冲器的种类）

　　高速缓冲器（缓冲器的种类）现代的操作系统将可执行文件加载后，创建了进程，进程中每一条指令和数据都被分配了一个虚拟地址，CPU获取到这个虚拟地址后，需要翻译成内存的物理地址后，才能访问指令和数据，本片文章阐述的重点就是虚拟地址翻译物理地址的流程和实践，因此分成2部分阐述
　　1。虚拟地址翻译物理地址的流程？
　　2。举一个例子实践下？虚拟地址翻译物理地址的流程？
　　当CPU第一次访问虚拟地址时，虚拟地址所在的虚拟页不在内存中，虚拟页表项（PTE）也不在TLB中，因此需要执行的步骤比较多，如下图
　　第一次访问虚拟地址
　　1。处理器将虚拟地址（VA）送往MMU（内存管理单元）
　　虚拟地址格式
　　如上图所示，虚拟地址长度为n，虚拟页偏移量长度为p。
　　2。MMU获取虚拟地址中的虚拟页号（VPN），然后将虚拟页号发送给TLB（翻译后备缓冲器），TLB根据虚拟页号从TLB映射表中查询PTE（页表项即PageTableEntry）。
　　PTE（页表项）
　　3。TLB（翻译后备缓冲器）将查询结果返回给MMU（内存管理单元）
　　4。MMU（内存管理单元）分析查询结果是否有PTE（页表项），发现PTE为空，没有命中，因此MMU根据页表基址寄存器（PTBR）中的页表起始地址加上虚拟页号（VPN），得出虚拟页页表项的物理地址PTEA（即PageTableEntryAddress），然后将这个物理地址送往高速缓冲（L1）。
　　5。高速缓冲（L1）根据PTEA查询内部的缓冲映射表，发现没有找到PTEA映射的内容即PTE（页表项），然后向内存请求PTEA下的内容。
　　6。内存将PTEA下的内容PTE，发送给高速缓冲（L1），高速缓冲（L1）建立了PTEA和PTE的映射关系。
　　7。高速缓冲（L1）再次根据PTEA查询内部的缓冲映射表，这次找到了，然后将PTE发送给TLB。
　　89。TLB收到了PTE后，建立了虚拟页号（VPN）和PTE的映射（8），然后将PTE发送给MMU。
　　10。MMU收到了PTE后，检查PTE的有效位，看看虚拟页是否在内存中。
　　11。MMU检查PTE后，发现虚拟页不在内存中，因此发送缺页中断给CPU，CPU开始执行缺页中断处理程序。
　　12。缺页中断处理程序根据页面置换算法，选择出一个已经缓冲的虚拟页作为牺牲页（如果这个虚拟页发生了变化，则更新到磁盘中），将这个牺牲页的PTE的有效位设置为0，表明这个牺牲页不在内存了。
　　13。缺页中断处理程序将缺少的页，从磁盘换入到空闲的物理内存中，设置缺少的虚拟页的PTE的有效位为1，更新物理号。
　　14。缺页中断处理程序执行完毕，跳转到发生缺页的指令处，然后CPU重新执行该指令，重新发出虚拟地址到MMU，跳到了1，开启下一个循环。
　　当CPU第二次访问同一个虚拟地址时，虚拟地址所在的虚拟页已经内存中，虚拟页表项（PTE）也在TLB中了，因此需要执行的步骤少了很多，如下图
　　第二次访问虚拟地址
　　1。处理器将虚拟地址（VA）送往MMU（内存管理单元）
　　2。MMU获取虚拟地址中的虚拟页号（VPN），然后将虚拟页号发送给TLB（翻译后备缓冲器），TLB根据虚拟页号从TLB映射表中查询PTE（页表项即PageTableEntry）。
　　3。TLB（翻译后备缓冲器）将查询结果返回给MMU（内存管理单元）
　　4。MMU（内存管理单元）分析查询结果是否有PTE（页表项），发现PTE有值，命中了，然后检查PTE的有效位，发现有效位是1，因此不缺页，根据PTE中的物理号加上虚拟地址中的（VPO）计算出指令或者数据的物理地址PA，将PA发送到高速缓冲（L1）
　　5。高速缓冲（L1）根据PA查询内部的缓冲映射表，发现没有找到PA映射的内容即指令或者数据，然后向内存请求PA下的内容。
　　6。内存将PA下的内容，发送给高速缓冲（L1），高速缓冲（L1）建立了PA和内容的映射关系。
　　7。高速缓冲（L1）再次根据PA查询内部的缓冲映射表，这次找到了，然后将代码或者指令发送到数据总线，CPU收到数据总线的数据后，感叹道，终于拿到数据了。
　　当CPU第三次访问同一个虚拟地址时，与第二次不同的是，因为虚拟地址对应的物理地址的数据，已经映射到高速缓冲（L1），所以不再从内存中查询。
　　好了，虚拟地址翻译物理地址的整个过程阐述完毕，下面来举个具体的例子来实践下！举一个例子实践
　　上一节是虚拟地址翻译物理地址的过程，现在实践下，实践前先普及两个概念TLB和高速缓冲。
　　TLB
　　TLB全称叫做翻译后备缓冲器，这是一个映射表，它建立了虚拟页号（VPN）和页表项（PTE）的映射关系，每次访问虚拟地址时，都需要找这个虚拟地址对应的页表项，每次都去内存中查需要耗费几十个甚至上百个的时钟周期，虽然页表项缓冲在高速缓冲后，耗费的周期可以降到12个周期，但是缓冲在TLB后，几乎不用耗费时钟周期，它跟CPU几乎是同步的，类似于寄存器。
　　那么，虚拟地址怎么通过TLB映射页表项（PTE）呢，先来看看TLB，我们说TLB就是一个映射表，先来看看这个映射表长什么样，如下图
　　如上图所示，一个TLB由m个TLB组构成，每个TLB组下有个n个条目，每个条目里有PTE和标记位构成。
　　标记位是一个数字，每个TLB组的标记位不能重复，所以一个TLB组里，可以根据这个标记位定位到某个条目。
　　每个组都有一个唯一的编号叫做组号。
　　因此这么看，TLB就是一个二维数组，知道了组号和标记位就可以定位到唯一的PTE（页表项）。
　　虚拟地址中的虚拟页号（VPN）可以拆分成两部分即组号和标记位，假设一个n位长度的虚拟地址，如下图
　　虚拟地址中的TLB部分
　　由上图得知，VPN由标记位（TLBT）和组号又叫标记索引（TLBI）构成，组号占t位，标记位占了虚拟页号剩余的位。
　　假如一个TLB有4组，总共有64个条目，每组就有16个条目，那么VPN中的组号就占用2位（2的2次方4），标记位就占用4位（2的4次方16）。
　　高速缓冲
　　高速缓冲通常采用SRAM（静态随机访问存储器）进行存储，它比内存DRAM（动态随机访问存储器）快上几十甚至上百倍，因此为了加速CPU获取数据的速度，最近访问的数据存储在高速缓冲中。
　　高速缓冲内部有一张映射表，这张映射表建立内存物理地址PA和该内存物理地址下内容的映射关系，如下图所示
　　高速缓冲映射表
　　如上图所示，映射表分为m个组，每个组由标记位，有效位，和n个块组成，有效位为1表示该缓冲没过期，为0表示该缓冲过期了。
　　一个物理地址由组号标记位块号构成，如下图所示
　　物理地址的构成
　　由上图得知，物理地址为m位，块号占用p位，组号占用t为，剩下的位就是标记位占用的位数。
　　我们可以根据物理地址的组号定位到映射表的一个组，然后看看这个组下的有效位是不是为1，如果不为1，那么表示这一组的内容都无效了，没有必要比较下去了，因此缓冲没有命中，如果为1呢，那么比较这个组下的标记位和物理地址中标记位，如果不相等，那就是没有命中，如果相等呢，则继续根据物理地址中的块号去这个组相应的块号下找，如果找到数据，则表示命中了，否则缓冲没有命中。
　　假设一个高速缓冲有16个组，每个组有4个块，那么物理地址当中组号占用的空间就是4位（2的4次方等于16），块号占用的位数就是2位（2的2次方等于4），剩余的位数就是标记位占用的位数。
　　好了，概念普及完了，下面正式开始举例
　　先假设
　　1。内存是按字节寻址，每个字是一个字节（通常对于32位的系统一个字是4个字节）。
　　2。虚拟地址长度为14位，假设页表有256个页表项，因此虚拟页号（VPN）占用位数为8，虚拟一偏移量（VPO）占用6位。
　　3。物理地址长度为12位。
　　4。页面大小为64个字节（P64）
　　5。TLB有4个组，每个组4个条目，总共16个条目组成
　　6。高速缓冲（L1）有16个组，每个组有4个块。
　　7。采用一级页表（多级页表复杂些，但原理类似）。
　　先看看虚拟地址和物理地址的格式，如下图：
　　虚拟地址
　　由上图得知，组号（TLBI）占用2位，因为我们假设TLB有4个组，标记位占用6位。
　　物理地址
　　由上图得知，组号（CI）占用4位，因为我们假设高速缓冲有16个组，每个组下有4个块，因此块号（CO）占用2位，剩下的6位就是标记位（CT）。
　　我们假定TLB，高速缓冲映射表如下图：
　　TLB映射表
　　高速缓冲映射表
　　页表总共有256项，我们把前16项列出，如下图
　　页表前16项
　　好了，一切就绪，假设CPU访问的虚拟地址是0x03d4，它的二进制是16位即0000001111010100，而虚拟地址只有14位，所以高2位被抛弃，如下图
　　0x03d4虚拟地址分布图
　　由上图得知，组号（TLBI）为11即0x03，标记位（TLBT）为000011即0x03，从TLB映射表查找，发现命中了，如下图
　　TLB命中
　　由上图命中了红色部分的标记位，PTE中的PPN0x0D，有效位为1，我们根据PPN然后在加上虚拟页偏移量，如下图
　　虚拟地址
　　由上图，我们得知虚拟页偏移量（VPO）为0101000x14，虚拟页偏移量（VPO）物理页偏移量（PPO），即PPO0x14，PPN和PPO连接起来就是物理地址PA即0011010101000x354，如下图
　　物理地址
　　由上图得知，组号是0101即0x05，块号（CO）为00即0x00，标记位为001101即0x0D，通过组号标记位块号，可以定位到高速缓冲的数据0x36，如下图所示
　　物理地址命中数据
　　物理地址对应的数据找到了，返回给了CPU，当然也可能发生其他的情况，如TLB未命中，高速缓冲未命中，缺页等，这些读者可以自行实践。
　　好了，虚拟地址翻译物理的过程和实践，介绍完了，谈下一个话题。