TLB与内存寻址,内存读取,虚拟内存的相关原理

TLB(Translation Lookaside Buffer)转换检测缓冲区是一个内存管理单元,用于改进虚拟地址到物理地址转换速度的缓存。

TLB是一个小的，虚拟寻址的缓存，其中每一行都保存着一个由单个PTE(Page Table Entry,页表项)组成的块。如果没有TLB，则每次取数据都需要两次访问内存，即查页表获得物理地址和取数据。

关于TLB与cache-CPU缓存的关系，TLB介于CPU与cache之间，是内存的管理单元，用于程序从逻辑地址访问实际内存地址的页表缓存。

当程序或cpu要读取数据，CPU会根据程序提供的逻辑地址的前20位映射码到TLB中查询，TLB中保存所有已运行程序的前20位逻辑地址的映射码，查到（命中）根据前20位映射码直接访问实际内存地址。查不到（不命中）CPU会到CPU缓存（cache）中查询，没有CPU会重新加载（实际内存）所有逻辑地址的映射码（一些程序停止响应后过一会又响应），后直接读取硬盘上数据，同时将逻辑地址映射信息保存回TLB（刷新TLB）。TLB归系统（OS）在内存中创建、管理，也算是一种缓存，软缓存。CPU cache是加快CPU与内存之间数据交换的缓存，归CPU管理，是一种硬件缓存。

当CPU访问程序时，内存读取速度很快，将CPU需要的数据块（实际内存地址）读取保存在内存中，内存空间有限，符合软件编写规则的程序都只能保存很小的数据块在内存中，并且内存中这些数据块只有被CPU全部处理完，内存才会加载下一个数据块。CPU要一点一点的处理这些内存中的数据块，当CPU处理完这个数据块需等待内存加载下一个数据块。（也可以说内存停止慢慢等CPU处理完。）这就造成了数据处理的停顿（虽然这点时间可能就是几毫秒），为了保持数据处理的连贯性、持续性，CPU
cache应运而生。内存中要处理或优先处理的数据块先被CPU cache加载，不再影响内存的运作，CPU优先从CPU
cache中加载处理数据。CPU
cache起了缓冲、缓存作用。（这只是CPU运行的大方向的理论，实际IU与AU对缓存还有不同的处理，并且像IU酷睿与新的I系列CPU在缓存、内置内存控制器等多有改进，但无论怎样这大方向的理论没变！同频率不同价的CPU多是砍CPU
cache大小或指令来区分，资金不是太紧张的同学还是选同频大缓存的CPU为好。同类型相比I3与I3,别拿I3与I5比。。。。）

如上，CPU、CPU
cache或内存都会分优先级来加载处理数据，一些暂时不用的数据，内存会自动卸载数据到虚拟内存中，同时映射地址供以后直接调用。没有启用虚拟内存，内存会直接卸载暂时不用的数据，用时再从硬盘上读取。大家注意到，直接以后从硬盘上读取还是卸载数据到虚拟内存中，好像都一样，都要从硬盘上读取。实际使用时是不一样的，调用虚拟内存，实际内存只要通过映射码直接读取。调用硬盘上数据有一个加载、选择需要数据块的时间（虽然这点时间可能还是几毫秒）。到此其实虚拟内存更像实际内存的缓存（但不是必须的），虚拟内存的作用更像TLB。所以偶一直建议大家启用虚拟内存。对于一些大容量内存的同学，也要尽量启用虚拟内存。不是关闭虚拟内存，系统就会运行更快。这是一个网路上流传甚广的歧义解读。

关闭虚拟内存让程序在实际内存中运行，需要几个前提条件，需要x64系统，只有x64系统才能更有效的管理、分配更多的内存地址。像一些x86系统开启或支持4G以上内存都是障眼法的过眼瘾，x86系统本身的内核出于稳定性的要求已经屏蔽了内存地址的扩展。（无论微软还是Linux都一样，不要听一些神人的通灵神释，如果Linux等x86内核本身支持Linux还出什么x64系统。）x86伺服器系统也是如此，只能看到更多的内存存在，（针对x86伺服器系统以前有几个专门优化的程序可以使用3g内存，现在基本已经绝种了）如我们都知道银行有许多毛爷爷，但你能把银行的钱拿来就用吗！第二个先决条件就是软件本身要支持、启用内存地址扩展，也就是x64位程序并编译到了可以启用更多的内存地址扩展，有些程序（偶就不说软件名了）只是包了x64皮的x86程序。。。。。

x86程序以Windows系统下为例为了最大兼容性先天就限制了内存地址的调用（“符合软件编写规则的程序都只能保存很小的数据块在内存中”），如xxx不能读、xxx不能写的报错就是内存地址不能供软件调用，x64程序内存地址还是有限制但通过内存地址扩展可使用更多内存，如PS
x64版软件可以使用128G以上内存容量。

内存无论有多大，都会在开机时被系统初始化，分配好数据空间（实际内存地址）。内存像一栋楼，楼中有许多房间，x86程序无论怎样只能住小房间，x64程序可以住大房间，像PS等x64程序可以包下整个单元。无论x86还是x64程序房间住满了可以将一些暂时不用的放到下房（或叫小仓房）虚拟内存中，如没有多出的只能先丢掉了