Linux内核-内存-硬件高速缓存和TLB原理
来源:互联网 发布:php注册登陆页面代码 编辑:程序博客网 时间:2024/06/07 16:07
硬件高速缓存和TLB原理
基本概念
硬件高速缓存的引入是为了缩小CPU和RAM之间的速度不匹配,高速缓存单元插在分页单元和主内存之间,它包含一个硬件高速缓存内存和一个高速缓存控制器。高速缓存内存存放内存中真正的行。高速缓存控制器存放一个表项数组,每个表项对应高速缓存内存中的一个行,如下图:
除了通用硬件高速缓存,80x86处理器还包含了另一个称为转换后援缓冲器或TLB(Translation Lookaside Buffer)的高速缓存用于加快线性地址的转换。TLB是一个小的、虚拟寻址的缓存,其中的每一行都保存着一个由单个页表条目组成的块。
原理
下面通过一个具体的地址翻译示例来说明缓存和TLB的原理(注意:这是简化版的示例,实际过程可能复杂些,不过原理相同),地址翻译基于以下设定:
- 存储器是按字节寻址的
- 存储器访问是针对1字节的字的
- 虚拟地址(线性地址)是14位长的
- 物理地址是12位长的
- 页面大小是64字节
- TLB是四路组相连的,总共有16个条目
- L1 Cache是物理寻址、直接映射的,行大小为4字节,总共有16个组
下面给出小存储系统的一个快照,包括TLB、页表的一部分和L1高速缓存
虚拟地址(TLBI为索引):
TLB:四组,16个条目,四路组相连(PPN为物理页号):
页表:只展示前16个页表条目(PTE)
物理地址(CO为块偏移):
高速缓存:16个组,4字节的块,直接映射
基于以上的设定,我们来看下当CPU执行一条读地址0x3d4(虚拟地址)处字节的加载指令时发生了什么:
- 从0x3d4中取出如下几个字段:
- TLBT: 0x03
- TLBI: 0x03
- VPN: 0x0F
- VPO: 0x14
- 首先,MMU从虚拟地址中取出以上字段,然后检查TLB,看它是否因为前面的某个存储器的引用而缓存了PTE0x0F的一个拷贝。TLB从VPN中抽取出TLB索引(TLBI:0x03)和TLB标记(TLBT:0x03),由上面的TLB表格可知,组0x3的第二个条目中有效匹配,所以命中,将缓存的PPN(0x0D)返回给MMU。
- 将上述的PPN(0x0D)和来自虚拟地址的VPO(0x14)连接起来,得到物理地址(0x354)。
- 接下来,MMU发送物理地址给缓存,缓存从物理地址中取出缓存偏移CO(0x0)、缓存组索引CI(0x5)以及缓存标记CT(0x0D)。
- 从上面高速缓存表格中可得,组0x5中的标记与CT相匹配,所以缓存检测到一个命中,读出在偏移量CO处的数据字节(0x36),并将它返回给MMU,随后MMU将它传递回CPU。
以上只分析命中的情况。
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