virtual-memory - 内存地址转换是否需要额外访问内存？

Question

我有一个关于虚拟内存管理的问题，更具体地说，是地址转换。

当应用程序运行时，CPU 接收到包含虚拟内存地址的指令，并通过页表将它们转换为物理地址。

我的问题是，由于页表也在内存块中，这是否意味着 CPU 必须在单个内存访问指令中访问内存两次？如果答案是否定的，那么这实际上是如何工作的？我错过了哪一部分？

谁能给我一些关于这个的细节？

Answer 1

像往常一样，答案既不是肯定的，也不是否定的。

最坏的情况是你必须遍历页表，它确实存储在（某种）内存中，这不一定是一次查找，它可以是多次查找，例如一个两级表（示例来自维基百科）。

然而，通常这个页表伴随着一个称为翻译后备缓冲区的硬件辅助，这本质上是一个页表缓存，查找过程可以在这张图片中看到。它的工作原理就像您期望缓存也可以工作一样，如果查找成功，您将愉快地继续物理获取，如果失败，您继续上述页面遍历，然后更新缓存。

这种硬件辅助通常实现为CAM（内容可寻址存储器），它最常用于网络处理，但在这里也非常有用。它是一个内存组件，它不基于地址而是基于“内容”或任何通用键（键不必是连续的、递增的数字）进行查找。在这种情况下，键将是您的虚拟地址，而生成的内存查找将是您的物理地址。由于此 CAM 是一个单独的组件，并且速度非常快，因此您可以声明，只要您点击它，就不会为虚拟 -> 物理地址转换产生任何额外的内存开销。

您可能会问他们为什么不将整个页表放入 CAM 中？很简单，CAM 非常昂贵，更重要的是非常耗能，所以你不想让它们太大（我们不想要一台需要 1KW 才能运行的笔记本电脑吗？）。

Answer 2

有时。

MMU 包含一个虚拟到物理地址映射的缓存，称为 TLB（Translation Lookaside Buffer）。

如果有问题的页面不在 TLB 中（TLB 未命中），则需要先将相关页表从主内存加载到该缓存中，这将需要额外的内存访问。

最后，如果页面根本找不到，就会向 CPU 发出一个陷阱（页面错误），而 CPU 有机会修复这个问题 - 例如分配内存、从文件加载片段、交换空间等。

关于如何完成的细节因架构而异，在某些情况下，TLB 未命中还涉及 CPU 来配置 TLB，尽管在大多数情况下这是自动的。（但 CPU 在进行上下文切换时必须刷新 TLB，并为新进程加载新的页表）

更多信息，例如这里https://www.kernel.org/doc/gorman/html/understand/understand006.html