分页中的翻译后备缓冲区 (TLB)

简介

在计算机系统中，翻译后备缓冲区 (TLB) 是一种硬件缓存，用于加速虚拟地址到物理地址的映射。在使用虚拟内存的情况下，CPU 生成的虚拟地址需要转换为物理地址，这个过程需要访问虚拟页表。当页表较大，或者访问频繁时，会导致较多的存储器访问和处理器开销。为了缓解这个问题，使用 TLB 作为虚拟地址到物理地址的映射表，可提高访问速度和效率。

TLB 的工作原理

当 CPU 试图访问虚拟内存中的一个页面时，它会首先检查 TLB 中是否有这个页面的映射记录。TLB 是一个小大小的高速缓存，通常只能存储几百到几千个页面映射。如果 TLB 中不存在映射记录，CPU 会查找页表来获取页面的映射记录并将其加入 TLB 中。在下一次访问该页面时，CPU 将直接从 TLB 中获取该页面的映射记录。

TLB 的优势

相比于常规页表在内存中的读取，TLB 的主要优势包括：

• 延迟时间更短: TLB 通常位于处理器芯片上，等效于访问一个很快的缓存，因此可以快速高效地执行页面转换。
• 更少的处理器开销: 由于 TLB 是硬件实现的高速缓存，因此无需花费 CPU 的处理时间来执行访问，相对来说更消耗少的处理器开销。
• 更高的吞吐量: 通过TLB可以获取更快的内存访问权限，给了程序员更强的控制，同时也加快了软件的运行速度。

TLB 的缺点

尽管 TLB 有诸多优点，但是也存在一些限制和缺点：

• 大小受限: 由于 TLB 只是一个高速缓存，因此其大小是有限制的，不能存储所有的映射记录。当需要访问的页面映射记录数量超过 TLB 的容量时，CPU 需要查找页表来获取映射记录。
• 热不均：由于 TLB 可以存储的映射记录是有限的，因此可能导致冷启动情况下的缓存命中率较低，访问操作由于不得不访问内存而变得较慢。

结论

TLB 是一种非常重要的硬件部件，用于高效地处理虚拟地址到物理地址的转换。由于它拥有许多优点，大多数现代处理器都会使用 TLB 来加速页面转换，减少处理器的开销和提高系统的吞吐量。同时应该注意，TLB，作为一种高速缓存，即使用者不好，也会影响程序的整体性能。所以，对 TLB 了解并正确配置它需要在程序员这个角度上找到平衡点。