TLB的作用及工作过程

下面内容摘自《步步惊芯——软核处理器内部设计分析》一书

  

      页表一般都非常大，而且存放在内存中，所以处理器引入MMU后，读取指令、数据须要訪问两次内存：首先通过查询页表得到物理地址，然后訪问该物理地址读取指令、数据。

为了降低由于MMU导致的处理器性能下降。引入了TLB，TLB是Translation
Lookaside Buffer的简称，可翻译为“地址转换后援缓冲器”，也可简称为“快表”。简单地说，TLB就是页表的Cache，当中存储了当前最可能被訪问到的页表项。其内容是部分页表项的一个副本。仅仅有在TLB无法完毕地址翻译任务时，才会到内存中查询页表，这样就降低了页表查询导致的处理器性能下降。

      TLB中的项由两部分组成：标识和数据。

标识中存放的是虚地址的一部分，而数据部分中存放物理页号、存储保护信息以及其它一些辅助信息。虚地址与TLB中项的映射方式有三种：全关联方式、直接映射方式、分组关联方式。

OR1200处理器中实现的是直接映射方式。所以本书仅仅对直接映射方式作介绍。直接映射方式是指每个虚拟地址仅仅能映射到TLB中唯一的一个表项。

如果内存页大小是8KB，TLB中有64项。採用直接映射方式时的TLB变换原理如图10.4所看到的。

 

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由于页大小是8KB，所以虚拟地址的0-12bit作为页内地址偏移。

TLB表有64项，所以虚拟地址的13-18bit作为TLB表项的索引。假如虚拟地址的13-18bit是1，那么就会查询TLB的第1项，从中取出标识，与虚拟地址的19-31位作比較，如果相等。表示TLB命中，反之，表示TLB失靶。

TLB失靶时，能够由硬件将须要的页表项载入入TLB，也可由软件载入，详细取决于处理器设计。OR1200没有提供硬件载入页表项的功能，仅仅能由软件实现。TLB命中时，此时翻译得到的物理地址就是TLB第1项中的标识（即物理地址13-31位）与虚拟地址0-12bit的结合。在地址翻译的过程中还会结合TLB项中的辅助信息推断是否发生违反安全策略的情况。比方：要改动某一页，但该页是禁止改动的。此时就违反了安全策略，会触发异常。

OR1200中的MMU分为指令MMU、数据MMU。分别简称为IMMU、DMMU。採用的是页式内存管理机制，每一页大小是8KB，没有实现页表管理、页表查询、更新、锁定等功能，都须要软件实现。

实际上OR1200的MMU模块主要实现的就是TLB。OR1200中TLB的大小能够配置。默认是64项，採用的是直接映射方式。IMMU中有ITLB，DMMU中有DTLB，可是ITLB、DTLB的载入、更新、失效、替换等功能也都须要软件实现。

本章从下一节開始将分别对IMMU、DMMU进行分析。