虚拟地址转换[二] - 具体实现

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关于上文提到的“关于在TLB中具体是怎么找的，在page table中又是怎么”walk”的问题，下面通过一个简单的例子说明一下。

假设当前CPU支持的虚拟地址是14位，物理地址是12位，page size为64字节（这里要说明一下，通常情况下呢，虚拟地址和物理地址的位数是一样的，但其实并不一定需要一样，因为本来就可以多个虚拟地址指向同一个物理地址嘛）。

不管是虚拟地址还是物理地址，因为最小管理单位都是page，在转换过程中，代表页内的偏移地址（offset）的低位bits部分是不需要参与的，需要转换的只是代表page唯一性标识的高位bits部分，称作page number。由此产生了4个概念：VPN（virtual page number），PPN（physical page number），VPO（virtual page offset）和PPO（physical page offset）。

VPO和PPO占的bit位数为$\log_{2}p$，p为page size大小，即64，因而VPO和PPO的值为6。因为所有pages都是同样大小的，所VPO始终等于PPO。

虚拟地址中剩下的bit位就成了VPN，物理地址中剩下的bit位就成了PPN。

假设我们的TLB一共有16个entries，是4路组相关（4-way set associative）的，则有16/4=4个sets。TLB本身是一个硬件缓存，关于cache中way, set, index, tag的基础概念，如果还不熟悉的，可以参考这两篇文章：“浅谈Cache Memory”和“cache之虚虚实实”。

TLB Index（以下简称TI）的值为 =2，剩下的bit位就成了TLB Tag（以下简称TT）。

下面，我们准备读取虚拟地址为0x0334处的内容。

1. 将这一地址分割成VPN和VPO

1. 将VPN分割成TT和TI

1. 使用TT(0x03)和TI (0)在TLB中查找。一个TLB entry的构成如下：

作为cache，TLB index是用来索引的，不会存储在TLB entry中，TLB entry中存的只有tag，有效位，权限位和内容（对于TLB来说就是PPN）。

假设现在TLB中的内容是这样的（这里为了简化，省略了permission bits）：

虽然在set/index为0这一行，找到了tag为03的一个entry，但这个entry中PPN是不存在的，整个entry目前是invalid的，也就是说TLB miss了，需要去page table中找。

1. 使用VPN(0x0C)作为index在page table中查找。一个只有one level的page table（单级页表）构成如下：

index作为索引，也是不会存储于page table entry中的，PTE存的只有权限位，有效位和内容（对于PTE来说也是PPN）。

假设现在的page table是这样的（同样为了简化，省略了permission bits）：

对应的PTE（page table entry）中的PPN不存在，依然是invalid的，这将触发一个page fault。

实现的细节展开后，上文中的图也可以展开了（只用关注左半部分）

对比一下，你可能会发现一个TLB entry比一个page table entry多了一个tag，TLB使用的是tag比对【1】，而页表使用的是index索引，在PTE数目很大的情况下这会带来一系列问题，详情请看下回分解。

注【1】：如果是full associative的TLB，则只有tag没有index；如果是n-way set associative的TLB，则先通过index索引，再进行tag比对。