快表、页表和cache之间的关系

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快表、页表和cache之间的关系

2024-07-05 00:03| 来源: 网络整理| 查看: 265

快表、页表和cache之间的关系进程与内存的关系图偏移量的含义全相联映射的TLB命中【快表是集成在CPU里的】全相联映射TLB未命中【二级页表】四路组相连映射的【TLB】23年复习引入部分单级页表【一个进程一张页表】二级页表PCB、页表、页表始址、MMU、TLB、Cache、页表始址寄存器Cache部分全相联映射直接映射组相联映射页框 and 主存块的关系

进程与内存的关系图

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进程会被拆分为一个个页面，而这些页面会被放入内存的页框中

任何一个进程的虚拟地址空间都是相互独立的。例如一个36位的操作系统，每个进程的虚拟地址空间都是0~236

当电脑在执行进程里面的各个指令的时候，PC指向的是这个进程的虚拟地址空间，而不是物理地址空间所以CPU在执行下一条指令的时候，PC值也要先转换为物理地址，才能找到下一条指令在内存中的位置【PC值永远指向当前运行的进程的虚拟地址空间】

问题：如果进程发生中断，我要执行的是OS内核的代码，（而PC永远指向的是当前运行进程的虚拟地址空间）这时候该怎么办? 每一个进程他除了拥有自己的一些数据之外，还会把OS内核相关的一些指令and数据映射到虚拟地址空间的低地址or高地址部分相当于页面共享

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在32位操作系统中,一个地址对应32位2进制数,则能寻址到4GB(232)的地址。而在linux内存管理中,内存以页为单位进行管理,一般情况下每页4KB大小， 4GB内存就有个4GB/4KB=220页。所以可将一个32位的地址分为20位+12位。前20位可以确定出地址在页中的哪一页,剩下的12位就可以确定出在这一页中的哪个位置。反过来,若是知道了页内为12位,那每页大小就肯定为212=4KB了。

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进程的页表是存放在内存里面的 CPU要访问一个VA，要把VA—>PA。最简单的方法，就是CPU根据虚拟页号去查询内存中的页表【我们的CPU当中会记录当前正在运行的这个进程的页表的起始地址，然后结合每个页表项的大小 x 页号，就可以找到这个页号所对应的页表项】，找到这个表项，从而检索这个页表在内存中的页框号，然后把页框号和页内偏移量进行拼接，就得到了最终的PA

CPU访问内存的速度是很慢的，这样就会拖累CPU的执行效率解决办法： CPU中有一个部件MMU，MMU里面会有一个很快的芯片SRAM，这个芯片就是用来存储页表的副本数据，把他称为快表（TLB）当CPU访问了一个页表项之后，他会把最近访问过得这个页表项的数据复制一份到快表当中，这样的话，如果下次他访问的还是同一个虚拟地址，CPU就可以直接从TLB中找到他所有访问页表项的副本数据。这样就可以提升地址转换的效率

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偏移量的含义

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首先对进程进行分页，将分好的页以页为单位，存放入内存中。通过页表建立进程的页号与内存中页面实际位置的映射关系

全相联映射的TLB命中【快表是集成在CPU里的】

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全相联映射TLB未命中【二级页表】

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快表未命中，查慢表

将虚拟页号分为页目录号（一级页表）和页号（二级页表）先查找一级页表，找到985这个页表项，985页表项中的内容指向的页框号为11111H，那就说明二级页表是存储在11111H这个页框里面的。11111H中保存了二级页表，在这个表中查找211这个页表项所对应的页框号，进而就确定了985211H这个虚拟页号最终所对应的虚拟页框好用985211H的地址与页偏移量拼接，得到完整的物理地址四路组相连映射的【TLB】

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四路组相连映射，意味着每一组有4份TLB映射四路组相连映射中，将虚拟页号24位分为21+3两部分通过低3位定位目标页在哪一组（一共8组）用剩余的21位和这组中的四个快表标记比对

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23年复习引入部分

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每个进程的虚拟地址空间都是独立的但是每个进程的【低】地址部分或者【高】地址部分肯定是映射到同一片【内核空间】所以说，两个进程，虽然说他们的虚拟空间各自独立，但是他们两个的【内核区】在物理上对应的是同一块数据内核区保存的信息有：【页表、PCB】

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单级页表【一个进程一张页表】

块表命中在这里插入图片描述

CPU当中会记录当前进程的这个页表起始项地址，然后再结合每个也页表项的大小，用页表项的大小【乘以】页号，就可以找到某个页号所对应的页表项。这些页表项就像数组一样是顺序存储的，这个页表起始项地址会被记录在【进程PCB当中】，每个进程有一个自己的PCB（进程控制块）这样当CPU在上这个进程的时候，就知道这个进程的页表对应的内存中的地址在哪单级页表的弊端：页表项在物理内存中是需要【连续】存储的。单级页表会使得一张页表太大。解决办法：设置多级页表二级页表

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这个虚拟页号【24bit】，把它拆分成两级的话，前12bit用于查一级页表，后12bit用于查二级页表

只有一级页表时，所占内存的大小为：224 有二级页表时，所占内存的大小为：212 x 212=224 二级页表其实就是把单级页表拆分为多张二级页表，存放在内存的各个位置，然后把每个二级页表的起始地址记录下来，存入一张表，这张表就是一级页表在这里插入图片描述

二级页表查询的方式

先用前12bit页目录号【985H】，【页目录号】*【单个一级页表项大小】找到该页目录号所对应的页表项，这个页表项中的页框号【1111H】对应的就是二级页表存放的地址根据后12bit页号，查找二级页表【步骤2知道了二级页表的地址：1111H】，计算出后12bit所对应的页框号。这个页框号【AE866H】就是虚拟页号最终对应的实际物理页框号 PCB、页表、页表始址、MMU、TLB、Cache、页表始址寄存器

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内核区保存的信息有：【页表、PCB】|（每一个进程低地址or高地址部分肯定是映射到同一片【内核空间】）PCB和页表都是存放在内存里面的【系统区】。【页表始址】保存在PCB当中【页表始址】指明了这个PCB所对应的进程他的页表从哪儿开始存放【页表始址寄存器】包含在MMU（Memory Management Unit的缩写）【内存管理单元】MMU是一个硬件，被集成在CPU里面的【TLB】本质上是一个SRAM芯片，当然也可以是其他的高速的存储芯片去实现TLB【TLB】他也是用于内存地址的映射，将VA转为PA，所以TLB也是【MMU】里面的一个硬件部件，推得TLB是CPU里面的部件【TLB】里面保存的是当前进程的【页表项】的【副本数据】【Cache】里面保存的是【内存块】的【副本数据】（注意：页表项的数据也是存放在内存当中的，但是页表项的副本数据单独存放在TLB中）当一个进程他被【操作系统】调度，在这个进程将要开始运行之前，CPU会把接下即将要运行的这个进程的【页表起始地址】这个信息给复制到MMU里面的【页表始址寄存器】当中。每换一个进程，那么【页表始址寄存器】的值就会改变（也就相当于切换了一套【页表】），这个页表始址值都是从PCB里面来的，每个进程在被调度的时候，肯定会查他的PCB。当切换到一个【新进程】之后，以前TLB里面包含的那些页表项的副本数据将会【失效】，【TLB】里面保存的是当前进程的【页表项】的【副本数据】 Cache块的副本数据【不失效】，因为新旧进程可能共享同一片物理地址 Cache部分问题：Cache块的大小和主存页框的大小【是否是一定】是一致的答：不一定，通常Cache块的大小会比主存页框的大小更小一些当然在408考试当中，【主存块】和【Cache块的大小】是相同的但是【页框（页）的大小】和【Cache块的大小】是不同的注意：在有的os老师教材当中，直接认为主存块= 页框,408中不是这样

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全相联映射

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字块内地址6bit，表示一个Cache块的大小只有26个字节，字块内地址部分的值表示的是要取的数据的具体的地址【这个块里面保存着64B的数据，但是目标数据只取其中的一个数据】用蓝紫的一个条形表示内存的64B的一个副本这64B当中，我们要取出哪个字节的数据，需要根据物理地址的末尾6个bit的字块内地址来进行确定，字块内地址确定了我们此次要访问的是64B中的哪一个字节

由于CPU是按照字节寻址，所以他的一个物理地址就会指明某一个字节

直接映射

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行号：用于确定Cache在哪一行。根据Cache的总行数可以推出行号需要占几个bit

直接映射如何找到目标Cache

现通过行号，找到Cache的位置用物理地址的前22bit与Cache标记对比。若匹配且有效位为1，则命中通过字块内地址，在这个Cache块中找到目标数据组相联映射

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由图像得出：每一组当中由两个Cache行，也就是2路组相联映射

页框 and 主存块的关系

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把主存分为一个个页框，是为了要完成虚拟地址VA==>物理地址PA的过程

Cache是以主存块为单位进行存储的，而不是按照页框存储主存块 < 页框主存块=Cache

有了PA，在通过PA在Cache中找副本数据的时候，要把他按照【主存块】来区分

为什么不将二者统一呢他俩的力度不一样，你的页框或者页面在存到磁盘的时候方不方便如果每个页框他是64B【实际一个页框大小是1KB，Cache大小才是64B】，那就意味着，你每次读写磁盘是以64B为单位读取的。但是磁盘的读写是以磁盘块为单位的，一个磁盘块通常是1KB或者4KB，所以页框如果设置的太小，那么在你页面置换的时候，这个读写磁盘时，跟磁盘那边没办法统一

页框为什么设置的大呢？因为磁盘这种块设备的读写，在做页面置换的时候会更方便一些

为什么主存和Cache间进行数据交换的时候，要以更小的块【64B】为单位呢？因为如果假设1个主存块的大小是4KB，基于局部性原理，你很有可能只会访问的十几个字节的数据，而你把一个4KB的主存块全部调入Cache块中，就有点浪费了。Cache这边要把这个块变得比较小，是因为局部性原理，保证效率

总之:页框和页面的大小设置，是因为磁盘的读写是以磁盘块为单位进行置换的，所以进行页面置换的时候更加方便，因此页框页面得大小通常会大一些

而内存和Cache之间的数据交换，我们以更小的单位，这样可以保证Cache的效率会更高一些

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快表、页表和cache之间的关系

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