一步步编写操作系统 41 快表tlb 简介

分页机制虽然很灵活，但您也看到了，为了实现虚拟地址到物理地址的映射，过程还是有些麻烦的。先要从CR3寄存器中获取页目录表物理地址，然后用虚拟地址的高10位乘以4的积做为在页目录表中的偏移量去寻址目录项pde，从pde中读出页表物理地址，然后再用虚拟地址的中间10位乘以4的积做为在该页表中的偏移量去寻址页表项pte，从该pte中读出页框物理地址，用虚拟地址的低12位做为该物理页框的偏移量，呼…终于完成虚拟地址到物理地址的映射。

每一个虚拟地址到物理地址的转换都要重复以上过程，甭说真正去做了，光描述这个过程我都觉得繁琐，何况这只是用二级页表做地址映射的过程，要是用三级页表…我都替处理器喊累。不止如此，处理器的速度和内存的速度完全是两个数量级，页表毕竟在内存中，转换过程中频繁的内存访问，使得地址转换速度慢上加慢，而处理器也不得不停下来等待内存的响应。

虚拟地址到物理地址的转换，最终是想得到虚拟地址所对应的物理地址，如果给出一个虚拟地址后能直接得到相应的页框物理地址，免去中间的查表过程，直接用虚拟地址的低12位在该物理页框中寻址，岂不是大大提高了地址转换速度。根据程序的局部性原理，可以将近来常用的地址和指令加载到速度更快的设备中，因此我们都想到了缓存。处理器准备了一个高速缓存，可以匹配高速的处理器速率和低速的内存访问速度，它专门用来存放虚拟地址页框与物理地址页框的映射关系，这个调整缓存就是TLB，即Translation Lookaside Buffer，俗称快表，其结构如图

TLB中的条目是虚拟地址的高20位到物理地址高20位的映射结果，实际上就是从虚拟页框到物理页框的映射。除此之外TLB中还有一些属性位，比如页表项的RW属性。

有了TLB，处理器在寻址之前会用虚拟地址的高20位做为索引来查找TLB中的相关条目，如果命中（匹配到相关条目）则返回虚拟地址所映射的物理页框地址，否则会查询内存中的页表，获得页框物理地址后再更新TLB。

高速缓存由于成本等原因，容量一般都很小，TLB也是，因此TLB中的数据只是当前任务的部分页表，而且只有P位为1的页表项才有资格在TLB中，如果TLB被装满了，需要将很少使用的条目换出。

缓存相当于数据源的快照，为了保证缓存与数据源同步变化，这就涉及到缓存刷新的问题。TLB也是缓存，当内存中的原页表被修改时，TLB中的相应映射关系按理说也要更新。一般的缓存可以定期刷新，甚至推迟几分钟都可以，但TLB和一般的缓存可不一样，您想，TLB是页表的缓存，处理器寻址时最先访问的是TLB，TLB里面存储的是程序运行所依赖的指令和数据的内存地址，任意时刻都必须保证地址的有效性，否则程序必然出错，所以TLB必须实时更新。可是如果实时读取内存中的页表去更新TLB的话，这又回到了从内存查询映射关系的老路，TLB反而成了鸡肋。为此，TLB并不自动更新，处理器也不负责TLB的有效性，它把TLB的维护工作交给操作系统开发人员，由开发人员手动控制。这的确是非常合理的，毕竟维护页表的代码是开发人员自己写的，他们肯定知道何时修改了页表，或是修改了哪些条目。

尽管TLB对开发人员不可见，但依然有两种方法可以间接更新TLB，一个是针对TLB中所有条目的方法——重新加载CR3，比如将CR3寄存器的数据读出来后再写入CR3，这会使整个TLB失效。另一个方法是针对TLB中某个条目的更新。处理器提供了指令invlpg（invalidate page），它用于在TLB中刷新某个虚拟地址对应的条目，处理器是用虚拟地址来检索TLB的，因此很自然地，指令invlpg的操作数也是虚拟地址，其指令格式为invlpg m。注意，其中m表示操作数为虚拟内存地址，并不是立即数，比如要更新虚拟地址0x1234对应的条目，指令为invlpg [0x1234]，并不是invlpg 0x1234。将来咱们在内存管理系统中会涉及到TLB的更新操作，这一点尤为注意。

好啦，有关TLB的介绍就到这儿，下节再见

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