彻底搞懂虚拟地址翻译为物理地址的过程( 二 ) _虚拟地址

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1-2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

文章插图

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

文章插图
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

文章插图
高速缓冲映射表
【彻底搞懂虚拟地址翻译为物理地址的过程】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

文章插图
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(P=64)
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: