內存地址轉換是否需要額外訪問內存？

Question

我有一個關於虛擬內存管理的問題，更具體地說是地址轉換。

當應用程序運行時，CPU接收包含虛擬內存地址的指令，並通過頁表將其轉換爲物理地址。

我的問題是，由於頁表也放在一個內存塊，這是否意味着CPU必須在一次內存訪問指令中訪問內存兩次？如果答案是否定的，那麼這實際上是如何工作的？我錯過了哪一部分？

任何人都可以給我一些細節嗎？

Answer 1

像往常一樣，答案既不是，也不是。

最糟糕的情況下，你必須做一個頁表，它確實存儲在（某種）存儲器中，這不一定只有一個查找，它可以是多個查找，例如參見two-level table（示例從維基百科）。

但是，通常這個頁表伴隨着一個稱爲translation lookaside buffer的硬件協助，這本質上是頁表的高速緩存，查找過程可以在this image中看到。它的工作方式與您預期緩存過於有效一樣，如果查找成功，您可以繼續進行物理獲取，如果失敗，則繼續前述的頁面遍歷，然後更新緩存。

這個硬件協助通常實現爲CAM (Content Addressable Memory)，這是網絡處理中最常用的東西，但在這裏也非常有用。這是一個內存組件，它不會根據地址進行查找，而是基於'內容'或任何通用密鑰（密鑰不'必須是連續的，遞增的數字）。在這種情況下，密鑰將是您的虛擬地址，並且生成的內存查找將是您的物理地址。由於這個CAM是一個獨立的組件，而且速度非常快，所以只要你點擊它就不會產生虛擬 - >物理地址轉換的額外內存開銷。

你可以問爲什麼他們不把整個頁表放入CAM中？很簡單，CAM的價格相當昂貴，而且更重要的是相當耗能，所以你不想讓它們變得太大（我們不希望筆記本電腦需要1KW的電力才能運行）。

Answer 2

有時。

MMU包含虛擬到物理地址映射的緩存，稱爲TLB（轉換後備緩衝區）。

如果所討論的頁面不在TLB中（TLB未命中），那麼它需要首先將相關的頁表從主內存加載到該緩存中，這將需要額外的內存訪問。最後，如果根本找不到頁面，則向CPU發出陷阱（頁面錯誤），並且CPU有機會解決這個問題 - 例如，分配內存，從文件加載塊，交換空間等。

有關如何完成這些操作的詳細信息因體系結構而異，在某些情況下，TLB未命中還涉及CPU配置TLB，儘管大部分情況都是自動的。 （但是CPU在執行上下文切換時將不得不刷新TLB，併爲例如新過程加載新的頁表）

更多信息例如這裏https://www.kernel.org/doc/gorman/html/understand/understand006.html