新闻天下面试官：不同进程对应相同的虚拟地址，在 TLB 是如何区分的

2022-7-13 15:42| 发布者: msmkmm2012| 查看: 103| 评论: 0

摘要: 大家好，我是小林。加速器的最新消息可以到我们平台网站了解一下，也可以咨询客服人员进行详细的解答！https://www.tiandiapp.com/今天上午在群里有位读者面试时，被问到这么一个问题：表其是 TLB，是 CPU 封装在芯 ...

大家好，我是小林。加速器的最新消息可以到我们平台网站了解一下，也可以咨询客服人员进行详细的解答！https://www.tiandiapp.com/

今天上午在群里有位读者面试时，被问到这么一个问题：

表其是 TLB，是 CPU 封装在芯片里的一个东西：

为什么要有 TLB 现在的内存分页都是多级页表的，这样虚拟地址到物理地址的转换就多了几道转换的工序，这显然就降低了这俩地址转换的速度，也就是带来了时间上的开销。

所以，TLB 是专门存放程序比较常访问的页表项的 C，有了 TLB 后，那么 CPU 在寻址时，会先查
TLB，如果没找到，才会继续查常规的页表。

每个进程的虚拟地址范围都是一样的，那不同进程对应相同的虚拟地址，在 TLB 是如何区分的呢?

正文TLB是
的简称。首先，我们知道MMU的作用是把虚拟地址转换成物理地址。虚拟地址和物理地址的映关系存储在页表中，而现在页表又是分级的。64位系统一般都是3~5级。

常见的配置是4级页表，就以4级页表为例说明。分别是PGD、PUD、PMD、PTE四级页表。在硬件上会有一个叫做页表基地址寄存器，它存储PGD页表的首地址。MMU就是根据页表基地址寄存器从PGD页表一路查到PTE，比较终找到物理地址(PTE页表中存储物理地址)。

这就像在地图上显示你的家在哪一样，我为了找到你家的地址，先确定你是，再确定你是某个省，继续往下某个市，比较后找到你家是一样的原理。一级一级找下去。这个过程你也看到了，非常繁琐。

如果首次查到你家的具体位置，我如果记下来你的姓和你家的地址。下次查找时，是不是只需要跟我说你的姓是什么，我就直接能够告诉你地址，而不需要一级一级查找。四级页表查找过程需要四次内存访问。延时可想而知，非常影响性能。

页表查找过程的示例如下图所示。以后有机会详细展开，这里了解下即可。

TLB的本质是什么TLB其就是一块高速缓存。数据缓存地址(虚拟地址或者物理地址)和数据。TLB缓存虚拟地址和其映的物理地址。

TLB根据虚拟地址查找，它没得选，只能根据虚拟地址查找。所以TLB是一个虚拟高速缓存。硬件存在TLB后，虚拟地址到物理地址的转换过程发生了变化。

虚拟地址首先发往TLB确认是否命中，如果直接可以得到物理地址。否则，一级一级查找页表获取物理地址。

并将虚拟地址和物理地址的映关系缓存到TLB中。既然TLB是虚拟高速缓存(VIVT)，是否存在别和歧义问题呢?如果存在，软件和硬件是如何配合解决这些问题呢?

TLB的特殊虚拟地址映物理地址的比较小单位是4KB。所以TLB其不需要存储虚拟地址和物理地址的低12位(因为低12位是一样的，根本没必要存储)。

另外，我们如果命中，肯定是一次性从中拿出整个数据。所以虚拟地址不需要域。域是否需要呢?这取决于的组织形式。

如果是全相连高速缓存。那么就不需要。如果使用多路组相连高速缓存，依然需要。下图就是一个四路组相连TLB的例子。

现如今64位CPU寻址范围并没有扩大到64位。64位地址空间很大，现如今还用不到那么大。因此硬件为了设计简单或者解决成本，际虚拟地址位数只使用了一部分。这里以48位地址总线为了例说明。

TLB的别问题我先来思考首个问题，别是否存在。我们知道PIPT的数据不存在别问题。物理地址是仅有的，一个物理地址一定对应一个数据。

但是不同的物理地址可能存储相同的数据。也就是说，物理地址对应数据是一对一关系，反过来是多对一关系。由于TLB的特殊性，存储的是虚拟地址和物理地址的对应关系。

因此，对于单个进程来说，同一时间一个虚拟地址对应一个物理地址，一个物理地址可以被多个虚拟地址映。将PIPT数据类比TLB，我们可以知道TLB不存在别问题。

而VIVT C存在别问题，原因是VA需要转换成PA，PA里面才存储着数据。中间多经传一手，所以引入了些问题。

TLB的歧义问题我们知道不同的进程之间看到的虚拟地址范围是一样的，所以多个进程下，不同进程的相同的虚拟地址可以映不同的物理地址。这就会造成歧义问题。

例如，进程A将地址02000映物理地址04000。进程B将地址02000映物理地址05000。当进程A执行的时候将02000对应04000的映关系缓存到TLB中。当切换B进程的时候，B进程访问02000的数据，会由于命中TLB从物理地址04000取数据。这就造成了歧义。

如何消除这种歧义我们可以借鉴VIVT数据的处理方式，在进程切换时将整个TLB效。切换后的进程都不会命中TLB，但是会导致性能损失。

如何尽可能的避免
TLB首先需要说明的是，这里的理解成使效的意思。我们知道进程切换的时候，为了避免歧义，我们需要主动整个TLB。如果我们能够区分不同的进程的TLB表项就可以避免
TLB。

我们知道L如何区分不同的进程每个进程拥有一个独一二的进程ID。如果TLB在判断是否命中的时候，除了比较以外，再额外比较进程ID该多好呢!这样就可以区分不同进程的TLB表项。进程A和B虽然虚拟地址一样，但是进程ID不一样，自然就不会发生进程B命中进程A的TLB表项。

所以，TLB添加一项ASID(A S
ID)的匹配。ASID就类似进程ID一样，用来区分不同进程的TLB表项。这样在进程切换的时候就不需要
TLB。但是仍然需要软件管理和分配ASID。

如何管理ASIDASID和进程ID肯定是不一样的，别混淆二者。进程ID取值范围很大。但是ASID一般是8或16
。所以只能区分256或65536个进程。

我们的例子就以8位ASID说明。所以我们不可能将进程ID和ASID一一对应，我们必须为每个进程分配一个ASID，进程ID和每个进程的ASID一般是不相等的。每创建一个新进程，就为之分配一个新的ASID。当ASID分配完后，所有TLB，重新分配ASID。所以，如果想完全避免
TLB的话，理想情况下，运行的进程数目必须小于等于256。

管理ASID上需要软硬结合。L
为了管理每个进程会有个_结构体，我们可以把分配给当前进程的ASID存储在这里。页表基地址寄存器有空闲位也可以用来存储ASID。

当进程切换时，可以将页表基地址和ASID(可以从_获得)共同存储在页表基地址寄存器中。当查找TLB时，硬件可以对比以及ASID是否相等(对比页表基地址寄存器存储的ASID和TLB表项存储的ASID)。如果都相等，代表TLB
。否则TLB 。当TLB 时，需要多级遍历页表，查找物理地址。然后缓存到TLB中，同时缓存当前的ASID。

更上一层楼我们知道内核空间和用户空间是分开的，并且内核空间是所有进程共享。

既然内核空间是共享的，进程A切换进程B的时候，如果进程B访问的地址位于内核空间，完全可以使用进程A缓存的TLB。但是现在由于ASID不一样，导致TLB
。

我们针对内核空间这种全局共享的映关系称之为映。针对每个进程的映称之为-映。所以，我们在比较后一级页表中引入一个(-
(G) )代表是不是映。

当虚拟地址映物理地址关系缓存到TLB时，将G
也存储下来。当判断是否命中TLB时，当比较相等时，再判断是不是映，如果是的话，直接判断TLB
，需比较ASID。当不是映时，比较后比较ASID判断是否TLB 。

什么时候应该 TLB我们再来比较后的总结，什么时候应该 TLB。

当ASID分配完的时候，需要全部TLB。ASID的管理可以使用管理， TLB后整个。当我们建立页表映的时候，就需要虚拟地址对应的TLB表项。首印象可能是修改页表映的时候才需要 TLB，但是际情况是只要建立映就需要 TLB。原因是，建立映时你并不知道之前是否存在映。例如，建立虚拟地址A到物理地址B的映，我们并不知道之前是否存在虚拟地址A到物理地址C的映情况。所以就统一在建立映关系的时候
TLB。