缓存未命中，TLB未命中和页面错误

Question

缓存未命中，TLB未命中和页面错误

cachingmemoryoperating-systemtlb

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有人能清楚地解释一下缓存未命中、TLB未命中和页面故障之间的区别，以及它们如何影响有效的内存访问时间吗？

- Pushp Sra

如有任何疑问，请随时提出。 - Sumeet

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为什么我们需要一个页表，为什么不能直接指向物理内存？@SumeetSingh - marsh

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我推荐关注以下YouTuber的虚拟内存视频https://www.youtube.com/watch?v=qlH4-oHnBb8&t=1s。 - Sumeet

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简而言之，虚拟内存的存在是为了让程序员不用关心实际的物理地址，因为他们需要关注算法或手头的问题。所以，让程序员在虚拟（而非真实）内存中编写代码，由内存管理单元处理转换。 - Sumeet

1

@marsh 为您添加了另一个答案。 - Sumeet

5个回答

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这张图表可以帮助你理解何时会出现缓存命中或未命中的情况。

- Tadele Ayelegn

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想象一下，有一个正在运行的进程需要一个数据项X。

首先，将检查缓存内存是否有所请求的数据项。如果有(缓存命中)，则它将被返回。如果没有(缓存未命中)，则将从主内存中加载。

如果缓存未命中，则会检查主内存以查看是否存在包含所请求数据项的页面 (页面命中)，如果不存在该页面(页面错误)，则必须从磁盘中将包含所需项的页面加载到主内存中。

处理页面错误时，将检查TLB以查看所需页面的帧号在那里是否可用 (TLB命中)，否则(TLB未命中)操作系统必须查询页表以服务页面错误。

访问这些类型的内存所需的时间：

缓存 << 主内存 << 磁盘

缓存访问所需的时间最少，因此在某个级别上的命中或未命中会极大地改变有效访问时间。

- Rupsingh

7

引起页面错误的原因是什么？它总是因为内存已经被移动到硬盘上了吗？还是因为其他应用程序将其移动了位置？

嗯，这取决于具体情况。如果您的系统不支持多道程序设计（在多道程序设计系统中，有一个或多个程序加载到主存储器中，准备执行），那么肯定会发生页面错误，因为内存已经被移动到硬盘上了。

如果您的系统支持多道程序设计，那么这取决于您的操作系统是使用全局页面替换还是本地页面替换。如果使用全局页面替换，则可能会移动其他应用程序的内存。但是在本地页面替换中，内存已经移回硬盘。当进程遇到页面错误时，本地页面替换算法会选择替换属于同一进程的某个页面。另一方面，全局替换算法可以自由选择来自整个帧池的任何页面。当处理抖动时，这些讨论会更加频繁。

TLB未命中是指在TLB（转换后备缓冲区）中不存在所需的虚拟地址到物理地址转换的页表项。TLB类似于缓存，但它不存储数据，而是存储页表项，以便在TLB命中的情况下可以完全绕过页表，如图所示。

页面错误是崩溃吗？还是和TLB缺失一样？

两者都不是崩溃，因为崩溃是无法恢复的。但是众所周知，我们可以在不需要中止进程执行的情况下从页面错误和TLB缺失中恢复。

- Sumeet

-2

操作系统使用虚拟内存和页表将这些虚拟地址映射到物理地址。TLB作为此类映射的缓存。

 program >>> TLB >>> cache >>> Ram

一个程序在TLB中搜索页面，如果没有找到该页面，则会出现TLB缺失，并进一步在高速缓存中查找该页面。

如果页面不在缓存中，则会出现缓存缺失，并进一步在RAM中查找该页面。

如果页面不在RAM中，则会出现页面错误，并且程序将在二级存储器中查找数据。

因此，典型的流程如下：

Page Requested >> TLB miss >> cache miss >> page fault >> looks in secondary memory.

- saurabh agarwal

TLB 存储物理地址，而 Cache 存储单词。 - Tony Stark

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可以查看英文原文，
原文链接

- Sumeet · Accepted Answer

让我逐步解释这些事情。

CPU生成逻辑地址，其中包含页面编号和页面偏移量。

页面编号用于索引页面表，获取相应的页面框架号，一旦我们有了物理内存(也称为主内存)的页面帧，就可以应用页面偏移量来获取正确的内存字。

为什么需要TLB(快表)

问题在于页面表存储在物理内存中，有时可能非常大，因此为了加速逻辑地址到物理地址的转换，我们有时会使用TLB(快表)，它由昂贵且更快的关联内存制成。因此，我们不是首先进入页面表，而是进入TLB并使用页面编号索引到TLB，获取相应的页面帧号，如果找到它，我们完全避免了页面表(因为我们同时拥有页面帧号和页面偏移量)，形成物理地址。

TLB未命中

如果我们在TLB中找不到页面帧号，则称为TLB未命中，然后我们才去页面表查找相应的页面帧号。

TLB命中

如果我们在TLB中找到页面帧号，则称为TLB命中，我们不需要访问页面表。

页面错误

当运行程序访问的页面不在物理内存中时会发生缺页中断。这意味着该页面存在于辅助内存中，但尚未加载到物理内存的帧中。

高速缓存命中

高速缓存是一种小型内存，其操作速度比物理内存快，我们总是先访问高速缓存，而不是直接访问物理内存。如果我们能够在缓存内定位到对应的单词，则称其为高速缓存命中，此时我们甚至不需要访问物理内存。

高速缓存未命中

仅当映射到高速缓存无法在缓存内找到相应的块（类似于物理内存页帧）时（称为高速缓存未命中），我们才会访问物理内存并完成访问页表或TLB的过程。

因此，流程基本如下：

1。首先访问高速缓存，如果是高速缓存命中，则完成。

2。如果是高速缓存未命中，则进行第3步。

3。首先访问TLB，如果是TLB命中，则使用形成的物理地址访问物理内存，然后完成。

4。如果是TLB未命中，则访问页表以获取页面的帧号来形成物理地址。

5。如果未找到页面，则出现页面故障。如果所有帧都被某些页面占用，则使用其中一个页面置换算法，否则只需将所需页面从辅助内存加载到物理内存帧中即可。

结语

我所讨论的流程与虚拟高速缓存（VIVT）有关（更快但不能在进程之间共享），如果是物理高速缓存（PIPT），则流程肯定会改变（更慢但可在进程之间共享）。高速缓存可以通过多种方式进行寻址。如果您愿意深入了解，请参考这篇文章和这个视频。