虛擬化（9）-更快的地址翻譯（TLB）

在看文章前可以先看下這個，

吳海波：專欄的序。

先有個大概的認識會對閱讀有所幫助。

上一章我們看到分頁機制下的地址翻譯是有多慢，為了更快，os表示已經無能為力，這個時候就要找到os的好基友hardware來幫忙了。為什麼很慢？因為我們要訪問PT，而PT在內存裡面，訪問內存的幾百個時鐘週期實在是太長了，那我們把PT都放到MMU裡面吧，但是上一章已經說了，PT太大，mmu放不下，那好吧，我們退而求其次，借鑒緩存的方式，我把最近常用的PTE放在mmu中，這樣只需要在mmu中很小的空間，就可以提高地址翻譯的效率啦。

加入TLB後，我們的地址翻譯的流程如下：

VPN = (VirtualAddress & VPN_MASK) >> SHIFT//獲取虛擬頁號 (Success, TlbEntry) = TLB_Lookup(VPN)//判斷該頁號是否在TLB中 if (Success == True) // TLB Hit//如果TLB命中 if (CanAccess(TlbEntry.ProtectBits) == True)//並且PTE的訪問標記也是校驗通過 Offset = VirtualAddress & OFFSET_MASK//獲取地址的偏移量 PhysAddr = (TlbEntry.PFN << SHIFT) | Offset//獲取物理地址 Register = AccessMemory(PhysAddr)//訪問內存數據 else RaiseException(PROTECTION_FAULT)//如果許可權校驗有問題，則報錯 else // TLB Miss，TLB中不包含這個虛擬頁號對應的PTE，那麼就只能按照老方法來做了。 PTEAddr = PTBR + (VPN * sizeof(PTE)) PTE = AccessMemory(PTEAddr) if (PTE.Valid == False) RaiseException(SEGMENTATION_FAULT) else if (CanAccess(PTE.ProtectBits) == False) RaiseException(PROTECTION_FAULT) else TLB_Insert(VPN, PTE.PFN, PTE.ProtectBits)//這裡表示緩存改PTE，這樣下次就不會再MISS了。 RetryInstruction()

TLB miss後由誰處理？

那麼如果TLB miss了，是os還是硬體來負責處理呢？對X86來說，是硬體，而對於別的一些架構的cpu來說則是os來處理。如果是硬體來處理，那麼硬體就需要知道PT在哪裡，比如Intel x86的架構，使用一個固定的多級頁表，和CR3寄存器來指向最近使用的PT。如果是OS來處理，在發生tlb miss的時候，硬體只需要產生一個異常就可以了。不過需要注意的是，和其他的一些system call不一樣，這個tlb miss後的異常處理好後，需要執行發生異常的指令而不是下一條指令。另外要注意的是，os來處理tlb miss，要避免產生更多的tlb miss（比如你的處理程序不在內存中，還需要從disk載入，然後再緩存，然後。。。。。），當然避免的方式也有很多，比如tlb miss 的處理程序一直保存在內存中，或者保留一個tlb的條目專門保存處理程序的信息。使用os處理的首要好處就是靈活性，因為os可以在不改變硬體的情況下使用任何一種數據結構來實現頁表。另外就是簡單，當發生tlb miss 的時候硬體只需要一個異常就可以了。

TLB一般包括哪些信息？

讓我們更詳細地查看硬體TLB的內容。一個典型的TLB可能有32、64或128個條目，也就是所謂的全相連（fully associative）（其實這個是對緩存結構的一種劃分，還有各種其他的類型，在高速緩存中應用較多）。基本上，這意味著任何給定的翻譯都可以在TLB中的任何位置，硬體將並行搜索整個TLB以找到所需的轉換（快的飛起啊）。TLB條目可能如下所示：

VPN | PFN | other bits

VPN和PFN這個就不用說了，肯定是要有的，不然虛擬和物理就連接不起來了。更有趣的是「other bits」。例如,TLB通常具有有效位，該有效位表示該條目是否有效。同樣常見的是保護位，其確定頁面如何可以被訪問（就像頁表中一樣）。例如,代碼頁可以標記為「讀取」和「執行」，而堆頁面可能被標記為「讀取」，並且寫。還可以有一些其它欄位，包括地址空間標識符（address-space identifier）、臟位（dirty bit）等等。

TLB怎麼處理進程切換？

因為PT的信息在process是不共享的，所以當process切換為新的時候，老的tlb緩存就不準了。一種方式是在上下文切換的時候清空原有的tlb，另外一種是給每個process一個編號，就像PID一樣，我們稱為address space identifier (ASID)，不過這個值比PID要小（比如PID是32位，ASID是8位）

TBL的替換策略是什麼？

當tlb中的條目存儲滿了，再次發生tlb miss就需要替換老的。這裡給出2種策略，一種是最近沒有使用的條目替換掉，一種是隨機選擇條目進行替換。隨機的好處是可以避免第一種策略的一個弊端。比如tlb可以存儲n個條目，但是一個循環是在n+1個條目間運行，那麼就會出現tlb全部miss，但是隨機替換就不會。

一個真實的TLB條目是什麼樣的？