旁观缓冲区 (Look aside Buffer)

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什么是旁观缓冲区？

旁观缓冲区 (LAB) 是一种用于计算机系统中存储频繁访问数据的缓存内存。LAB 位于 CPU 和主内存之间，充当高速缓冲区以提高系统性能。

LAB 的工作原理是缓存主内存中 CPU 频繁访问的部分数据。当 CPU 请求主内存中的数据时，LAB 首先检查缓冲区中是否存在该数据。如果在 LAB 中找到数据，则立即将其检索并发送到 CPU，这与从主内存中提取数据相比，可以显著减少访问时间。

旁观缓冲区在哪里使用？

LAB 通常用于主内存访问时间较慢的计算机系统（例如硬盘驱动器）中，以提高系统的整体性能。它也用于虚拟内存系统中，在其中存储频繁访问的页面以减少页面错误并提高性能。

转换旁观缓冲区 (TLB)

转换旁观缓冲区 (TLB) 是一种特殊的缓存类型，可以帮助处理器快速访问最近使用的数据。它存储最近访问的页表条目，并帮助处理器在给定虚拟地址时快速检索帧号并形成实际地址。

当处理器在 TLB 中查找虚拟地址时，它要么找到页表条目（称为 TLB 命中），要么找不到（称为 TLB 未命中）。如果是命中，处理器将检索帧号并形成实际地址。如果是未命中，则在处理页表时将页号用作索引。TLB 首先检查所需页面是否已存在于主内存中。如果不存在，则发出页面错误，并更新 TLB 以包含新的页面条目。

TLB 比主内存更快更小，但比寄存器更便宜更大。它用作高速关联缓存，用于减少有效内存访问时间 (EMAT)。EMAT 使用 TLB 的命中率、内存访问时间和 TLB 访问时间计算。

在场景 1 中，TLB 找到相关虚拟地址的页表条目，并返回相应的物理地址供 CPU 访问主内存。这是 TLB 命中。

在场景 2 中，TLB 未找到相关虚拟地址的页表条目，因此它将页号发送到 CPU 以在页表中查找。如果页面不存在于主内存中，则会发生页面错误，并且 TLB 将使用新的页面条目进行更新。这是 TLB 未命中。

局部性原理

• TLB 只包含频繁访问页面的条目

• 遵循局部性原理

操作系统转换旁观缓冲区

• TLB 使用标签和键进行映射

• 当在 TLB 中找到所需条目时发生 TLB 命中

• 如果发生 TLB 命中，CPU 可以访问主内存中的实际位置

• 如果发生 TLB 未命中，CPU 必须访问主内存中的页表，然后访问实际帧

• TLB 命中率会影响有效访问时间 (EAT)

• 可以通过提高 TLB 命中率来降低 EAT

分页的缺点

• 页表大小可能非常大，浪费主内存

• CPU 从主内存读取单个字需要更多时间

• 可以通过增加页面大小来减小页表大小，但这会导致内部碎片和页面浪费

• 多级分页会增加有效访问时间

• 使用存储在内部的页表的寄存器可以减少访问时间，但与页表大小相比，寄存器价格昂贵且空间小

转换旁观命中和未命中的访问时间

有效访问时间 (EAT)

TLB 用作高速关联缓存，用于减少有效内存访问时间。

• TLB 可以通过减少访问页表的时间来降低 EAT

• EAT 公式：EAT = P(t + m) + (1 - P)(t + k.m + m)

• P = TLB 命中率，t = 访问 TLB 的时间，m = 访问主内存的时间，k = 单级分页为 1

• 提高 TLB 命中率会降低 EAT

• 多级分页会增加 EAT

结论

分页是操作系统中的一种内存管理技术，它将内存划分为页面，并将进程划分为块。但是，页表的大小可能会变得非常大，从而浪费内存并增加访问时间。转换旁观缓冲区 (TLB) 充当常用页表条目的高速缓存，从而减少页表的有效访问时间。TLB 命中率会影响有效访问时间，提高它会减少访问时间。TLB 比主内存更快更小，但比寄存器更便宜更大。总的来说，TLB 在减少内存访问时间和提高系统性能方面起着至关重要的作用。