盡管虛擬化在主機上是很成熟的技術，我們最近還是經常聽聞有關該技術的討論。早在1967年，CP-67虛擬機管理程序就已經支持虛擬機和虛擬化系統鏡像。在這個虛擬機管理程序下，整個磁盤可以被虛擬為多個小型磁盤。例如像讀卡器、打卡機和打印機等單元記錄設備，甚至無需實際物理設備存在就能被虛擬出來。從硬件的角度來看，此時的System/360 Model 67并沒有提供虛擬化設備的支持，是CP-67虛擬機管理程序自己提供了所需的虛擬化。然而CP-67并不能虛擬化主內存，它還是需要Model 67的協助來完成。

System/360 Model 67可以借助CP-67創建的表，來實施動態地址轉換（DAT）。通過這種方式，虛擬機中一個特定內存塊可以被映射到實際內存中的任意塊。實際內存中非連續的內存塊在虛擬機中可能就是連續的。更有趣的是，“虛擬內存”中的塊有可能并不映射到實際內存中。相反，它會被CP-67映射到磁盤上的數據塊，這個數據塊只有在被引用時才讀入真實的內存數據。這樣的設計使得客戶操作系統認為數據一直在內存中。這便所謂的分頁技術，同時也是虛擬化技術的基礎。今天的z/os系統正是利用這種機制隔離不同的應用和程序。

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轉譯后備緩沖區（TLB）提供了實用性

動態地址轉換是一個偉大的想法，但如果每次訪問內存中指令或者操作數地址，都需要進行地址轉換，那這個時間花費是不可接受的。大多數大型機的指令涉及多個地址，如果沒有突破性的創新，動態地址轉換反而會降低機器運行效率。這時出現了讓動態地址轉換依舊可用的創新，那就是轉譯后備緩沖區（TLB）。TLB是一種可以記錄并快速訪問前一次轉譯結果的結構。

在這里我們不會太深入講解TLB的工程設計，但仍有幾點需要留意。TLB是一個二維數組，其內容就是一系列的條目。如圖1-01所示，它是長度為32個條目，寬度為4個條目的TLB。每個條目包含一個已被轉譯的虛擬地址和一個真實地址。使用索引和內容可尋址存儲器，我們可以從TLB中獲得正確的先前轉譯。如果先前轉譯并沒有在TLB中，其它電子元件就會讀取內存中的表并進行轉換，然后將結果寫入到TLB的相應列中，以備后續使用。

使用大型的TLB是非常有用的，這樣就能最小化內存中表的訪問。然而不幸的是，大型電子電路的速度訪問會非常緩慢，因為信號必須在更大的結構中傳播更遠的距離。此外，內容尋址存儲器所需的電路數增長是非線性的。所以TLB一般來說都比較小。幸運的是我們已經有一些技術可以提升有效容量，因此無需使用很大的TLB。

圖1-01 一級TLB

***化TLB的容量

起初，單一的TLB可用于轉譯指令地址和操作數地址。但同時也有兩個地方需要轉譯，那就是指令提取邏輯和操作數訪問邏輯。一個能有效增加容量的方法是使用兩套TLB，一個用于處理指令地址，另一個用于處理操作數地址。處理指令的TLB一般物理位置上臨近指令存取邏輯，處理數據的則被放置在操作數地址邏輯附近。即使這樣的設計需要額外邏輯來維護這兩個TLB的交互，但這個額外花銷是值得的，因為它帶來了效率的提升。

另外可做的是增加TLB的層級，這些額外增加的層級可以是大容量和低速度的設備，因為它們僅會在小型高速TLB未***時使用。這種添加層級的方法已被用于處理器高速緩存幾十年了。每個次級層次都容量更大，同時需要更多的周期來訪問。為此IBM工程師用非線性的方式實現了二級轉譯后備緩沖區（TLB2）。在內存中的DAT表并不再是線性表，而是更復雜的多層結構（如圖2-01所示）。例如在雙層表中，***級表稱為段表，它包含內存映射到二級表的入口；二級表稱為頁面表，它包含256個用于映射4K內存的條目。

圖2-01 存儲中的DAT表結構

現代的z系統處理器的TLB2有兩種類型的條目（如圖2-02所示），大小為1MB的段和大小為4K的頁。當轉譯在***層TLB（TLB1）中找不到時，TLB2就會搜索4KB頁條目所提供的轉譯。如果沒有找到，TLB2就會在段條目中搜索包含待轉譯的地址。如果這個條目被找到，就不會再使用內存中表的轉譯，因為對應的頁表可以直接被訪問，而無需訪問存儲器中的段表。因此如使用TLB2，額外的轉譯可以通過訪問內存中的表來實現，至少減少了這些訪問的次數。

圖2-02 二級TLB的結構

增加TLB有效容量的另一種方法是支持更大的頁面，使得僅需要較少的條目就能覆蓋給定的虛擬地址。在z系統的處理器中，這個特性得到了支持。首先在Z10的處理器上，TLB1會繼續支持4KB的條目，但TLB2可以容納1MB的頁條目。這些1MB的頁條目可以無需訪問內存中的表來創建TLB1所需的4KB條目。在z196處理器中，TLB1已經可以支持1MB的頁條目。在這個處理器中，添加了特殊的數據TLB1用于1MB頁條目的處理，同時指令TLB1也被增強用于支持4KB和1MB兩個頁條目。在zEC12還引入了2GB頁條目的支持。在這種結構下，有一個小型的數據TLB1持有一些2GB的頁條目，而一些非常大的頁條目被用作DB2緩沖區域和JAVA堆的有效映射。

虛擬化的創新還在繼續

本文的簡介并沒有談到z/VM虛擬機支持客戶機的虛擬內存。為了實現這種功能，z系統的處理器支持兩層的轉譯。首先，客戶機的虛擬地址被轉譯成客戶機的實際地址。但是客戶機的真實地址是主機端的虛擬地址，它需要轉譯成主機的真實地址。在這里我們不會就本話題做進一步探討，僅僅有一點提醒大家注意，那便是兩層轉譯涉及到許多表的訪問，因為客戶表的轉譯還涉及到額外的主機轉譯。還有許多更復雜的操作在z系統硬件上實現，這種實現使得對上層操作是透明的。