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Hi，我是CPU一號(hào)車間的阿Q，還記得我嗎，真是好久不見了～

我所在的CPU是一個(gè)八核CPU，就有八個(gè)工作車間，那運(yùn)行起來速度杠桿的～

虛擬地址翻譯

一大早，我們一號(hào)車間MMU(內(nèi)存管理單元)部門的小黑就來到領(lǐng)導(dǎo)辦公室，恰好我也在。

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“領(lǐng)導(dǎo)，聽說您同意了阿Q他們的方案，給每個(gè)車間都劃撥了緩存建設(shè)預(yù)算?”

“你這小子，消息還挺靈通的。沒錯(cuò)，內(nèi)存那家伙實(shí)在太慢了，加了緩存后，不用每次都從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，能讓咱們的性能提升不少”，領(lǐng)導(dǎo)說到。

“那我們MMU部門也要申請(qǐng)一筆經(jīng)費(fèi)”，小黑說到。

領(lǐng)導(dǎo)眉頭一緊，問道：“你們要申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)干什么?”

“我們也要建設(shè)緩存”

“你們MMU部門做地址翻譯工作，要緩存做什么，怕不是看領(lǐng)導(dǎo)給我們撥了款，眼紅了吧?”，我在一旁說到。

小黑轉(zhuǎn)過身來，看著我說道：“說我眼紅，我倒是問你，你知道虛擬地址翻譯的過程嗎?”

這可難不倒我，以前就沒少聽他說過，“怎么不知道?以32位的虛擬地址為例，一個(gè)32位的虛擬地址分為三部分，分別是頁目錄索引、頁表索引、頁內(nèi)偏移。翻譯的時(shí)候，從CR3寄存器中取出頁目錄地址，根據(jù)頁目錄索引找到頁表，再根據(jù)頁表索引找到物理內(nèi)存頁面，最后根據(jù)頁內(nèi)偏移，完成尋址。我說的對(duì)吧?”

“嘿，你小子不錯(cuò)啊，記性挺好”，小黑有點(diǎn)不敢相信，隨后又問到：“既然你知道，那我再問你，這讀取一次數(shù)據(jù)，需要訪問幾次內(nèi)存?”

我思考了一下，開始算了起來。從頁目錄表中讀取一次，從頁表中再讀取一次，最后訪問頁面內(nèi)數(shù)據(jù)再讀取一次，總共就是三次。

“需要訪問三次內(nèi)存!”，我回答到。

小黑點(diǎn)了點(diǎn)頭說道：“沒錯(cuò)，你知道的，內(nèi)存那家伙本來就慢，這每讀寫一個(gè)數(shù)據(jù)，都要訪問內(nèi)存三次，這誰頂?shù)米“?”

說的是啊，內(nèi)存那家伙慢我是知道的，但讀寫一次就要折騰三回，我倒是沒想過。

“就這還是32位地址的情況，我還沒算64位下變成了4級(jí)頁表呢，那訪問內(nèi)存的次數(shù)就更多了!”

“好在咱們馬上就要建設(shè)緩存設(shè)施了，也不用每次都從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，要是緩存能找到，就不用讀取內(nèi)存了嘛!”

“可是查頁目錄和頁表還是得要兩次啊”，小黑說到。

“要是能把地址翻譯的結(jié)果也緩存起來就好，就不用每次都從內(nèi)存查了”，我陷入了思考。

“你看，你跟我想到一會(huì)兒去了，所以我才向領(lǐng)導(dǎo)申請(qǐng)，咱們MMU部門也加上緩存，這樣地址翻譯變快了，咱們整個(gè)車間工作效率才高嘛!”

這時(shí)，領(lǐng)導(dǎo)站了起來，說道：“唉～格局要打開，光你們一號(hào)車間提高不行，得發(fā)動(dòng)全廠八個(gè)車間一起。小黑，經(jīng)費(fèi)的問題不用擔(dān)心，這事由你牽頭，把其他幾個(gè)車間的MMU部門負(fù)責(zé)人召集起來開個(gè)會(huì)，把你說的方案落地下去”

“沒問題!”，領(lǐng)導(dǎo)這么一說，小黑高興壞了。

地址翻譯緩存

回去的路上，我又忍不住好奇，向小黑打聽起來：“你們這翻譯地址用的緩存，準(zhǔn)備怎么個(gè)弄法?”

“我還沒想的很成熟，只有個(gè)大概的方案”

“快給我透露一下”

“好吧，告訴你也無妨!我舉個(gè)例子吧，假設(shè)要翻譯的虛擬地址是0x12345678，這是一個(gè)32位的地址，前面的20位是0x12345000，經(jīng)過兩次查表后，定位到真實(shí)的物理頁面0x00abc000，最后再加上頁內(nèi)偏移，翻譯結(jié)果就是0x00abc678”

“地址翻譯完成后，將虛擬頁編號(hào)0x12345和物理頁編號(hào)0x00abc的映射關(guān)系記錄起來放到緩存中”

“在進(jìn)行地址翻譯的時(shí)候，先去這個(gè)緩存里瞅一瞅，看看有沒有記錄過，如果有就直接用之前記錄的，找不到再去內(nèi)存頁表中找。跟局部性原理類似，翻譯過的地址，在接下來一段時(shí)間內(nèi)再次用到的可能性很大，所以這個(gè)緩存是很有必要的!”，小黑非常自信的說到。

“聽上去很不錯(cuò)，期待早點(diǎn)上馬啊!”

TLB

過了幾天，我打算去MMU部門轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，想看看他們的緩存搞的咋樣了。

一進(jìn)門，只見小黑和其他幾個(gè)車間的MMU部門負(fù)責(zé)人正在緊張的討論著，一旁的畫板上畫了不少條條框框的圖。

“小黑老哥，你們這是在做什么呢?”

“我們正在研究這個(gè)翻譯記錄緩存項(xiàng)的存儲(chǔ)方式呢!你來的正好，我們討論了半天也沒什么好的思路，快來幫我出出主意”

我有些好奇，問道：“什么問題把你們都難倒了?”

“就是虛擬地址翻譯的結(jié)果，我們不知道怎么存了!”

“這有什么好糾結(jié)的，緩存空間就那么大，一個(gè)翻譯結(jié)果就是一條記錄，一條一條的存唄”

二號(hào)車間MMU負(fù)責(zé)人連連揮手，“沒你想的這么簡(jiǎn)單，按照你這種存法，那在翻譯地址的時(shí)候，怎么查找?難道要全部掃描一遍?”

我愣了一下，“啊這，我倒是沒想這么多···不過緩存空間也不大，存不了太多翻譯結(jié)果，全部掃描也還好吧?”

“那可不行，咱們CPU的目標(biāo)就是要把性能優(yōu)化到極致，這種方案上了，領(lǐng)導(dǎo)還不得罵死我”，小黑說到。

我想了想，“有了，給虛擬頁編號(hào)取模，每個(gè)虛擬頁的翻譯記錄只能存在緩存中固定的位置，這樣不用全部掃描，一次就能定位，是不是很贊?”

小黑搖了搖頭：“這個(gè)方案我們剛才也討論過了，緩存空間有限，會(huì)導(dǎo)致大量的虛擬頁取模后映射到同一個(gè)存儲(chǔ)位置，就會(huì)經(jīng)常沖突，也不是個(gè)好辦法!”

“看來還真有點(diǎn)麻煩啊”，我也不自覺的皺起了眉頭，陷入了思考之中。

“可不是嘛，所以我們才頭疼啊”

空氣突然安靜，所有人都在低頭沉思。

“哎，有了!”，一個(gè)念頭在我腦中閃現(xiàn)。

“什么辦法?快說說看”

“分組連接!”

“分組連接?”，眾人問到。

“沒錯(cuò)!把前面這兩種方案結(jié)合一下?？梢园丫彺娲鎯?chǔ)空間劃分很多個(gè)組，全部遍歷太慢，直接取模映射又容易沖突，那如果映射的結(jié)果不是一個(gè)固定的位置，而是一個(gè)分組呢?”

“聽上去不錯(cuò)唉，這樣既降低了沖突，遍歷也只需在分組區(qū)間里進(jìn)行了，工作量大大降低了，真是個(gè)好辦法”

小黑和大家都一致同意了我的想法。

“那怎么分組呢，多少項(xiàng)為一組呢?”，有人問到。

“嗯，這個(gè)我也說不好，得做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，2、4、8、16都可以試試，實(shí)踐出真知嘛!”

“好，沒問題，咱們下來測(cè)試下”

“我還有一個(gè)問題，你們的這個(gè)緩存項(xiàng)什么時(shí)候更新呢?咱們?cè)诒Ｗo(hù)模式下，不同的進(jìn)程中，同一個(gè)虛擬頁翻譯后對(duì)應(yīng)的物理頁面可是不同的，你們可不要用了錯(cuò)誤的緩存，那可就出大亂子了!”

“嗨，這還用你說，在場(chǎng)的各位干這份工作時(shí)間都不短了，這一點(diǎn)我們比你更清楚。進(jìn)程切換的時(shí)候，會(huì)把新進(jìn)程的頁目錄表基地址寫到CR3寄存器中，那時(shí)候我們就會(huì)把緩存中的數(shù)據(jù)全部清掉啦!”，小黑胸有成竹的說到。

“也不用全部清掉吧，像有些內(nèi)核頁面，是所有進(jìn)程共享的，就可以保留啊”

小黑點(diǎn)了點(diǎn)頭，“有道理，看來得給地址翻譯記錄增加一個(gè)標(biāo)記，用來標(biāo)記是不是全局有效”

一個(gè)月后，八個(gè)車間MMU部門的緩存全部建設(shè)完成，當(dāng)天便投入使用，咱們這個(gè)CPU的運(yùn)行效率一下突飛猛進(jìn)，這緩存的威力可真是太大了。

為了跟我們的一二級(jí)緩存相區(qū)分，小黑還給他們的地址翻譯緩存取了一個(gè)響亮的名字：TLB——翻譯后備緩沖區(qū)。