缓存未命中，TLB未命中和页面错误

Question

有人可以清楚地解释一下缓存未命中，tlb未命中和页面错误之间的区别，以及它们如何影响有效的内存访问时间？

Answer 1

让我一步一步地解释所有这些事情。

CPU生成逻辑地址，其中包含page number和page offset。

page number用于索引page table，以获取相应的page frame number，并且一旦我们拥有physical memory的页面框架（也称为主内存） ），我们可以应用page offset来获得正确的记忆词。

为什么TLB（翻译外观缓冲区）

问题是页面表存储在physical memory中，有时可能非常大，所以为了加快逻辑地址到物理地址的转换，我们有时会使用{{ 1}}，由昂贵且速度更快的联想内存组成，因此我们不是先进入页面表，而是进入TLB并使用TLB索引到page number，并获取相应的TLB，如果找到，我们会完全避免page frame number（因为我们同时拥有page table和page frame number）和表单page offset。

TLB Miss

如果我们在physical address内找不到page frame number，则会将其称为TLB，然后我们会转到TLB miss寻找相应的page table。

TLB点击

如果我们在page frame number中找到page frame number，其名为TLB，我们就不需要转到页面表。

Page Fault

在物理内存中不存在正在运行的程序访问的页面时发生。这意味着页面存在于辅助存储器中但尚未加载到物理存储器帧中。

缓存点击

高速缓冲存储器是一种小型存储器，其运行速度比物理存储器快，我们总是在进入物理存储器之前进行高速缓存。如果我们能够在缓存内的缓存内存中找到相应的单词，则称其为TLB hit，我们甚至不需要转到物理内存。

缓存失踪

仅在映射到cache hit无法在缓存内找到相应的cache memory（block类似于物理内存block）内存之后（称为{{ 1}}），然后我们转到page frame并执行所有审核cache miss或physical memory的过程。

所以流程基本上就是这个

1 。首先转到page table，如果是TLB，那么我们就完成了。

<强> 2 即可。如果是cache memory，请转到第3步。

第3 即可。首先转到cache hit，如果它是cache miss，使用TLB形成转到物理内存，我们就完成了。

<强> 4 即可。如果是TLB hit，请转到physical address以获取用于形成TLB miss的网页的帧编号。

<强> 5 即可。如果找不到page table，则为physical address。如果所有帧都被某个页面占用，请使用其中一个page，只需从page fault加载所需的页面即可page replacement algorithms框架。

结束注释

我讨论的流程与虚拟缓存相关（流程之间更快但不可共享），在物理缓存的情况下，流量肯定会发生变化（速度较慢但可以在进程之间共享）。可以通过多种方式处理缓存。如果您愿意深入了解，请查看this和this。

Answer 2

想象一下一个进程正在运行，需要一个数据项X.

首先检查缓存内存是否有所请求的数据项，如果有（缓存命中），它将被返回。如果它不存在（缓存未命中），它将从主存储器加载。

如果存在缓存未命中，将检查主内存，以查看是否page包含所请求的数据项（页面点击）以及此页面是否存在（页面错误），包含所需项目的页面必须从磁盘进入主内存。

在处理页面错误时，将检查TLB以查看所需页面的帧编号是否可用（ TLB命中）否则（ TLB未命中）操作系统必须咨询用于处理页面错误的页面表。

访问这些类型记忆所需的时间：

cache＆lt;＆lt;主存储器＆lt;＆lt;磁盘

缓存访问需要的时间最少，因此某个级别的命中或未命中会大大改变有效访问时间。

Answer 3

  

导致页面错误的原因是什么？它总是因为记忆已经存在   搬到了硬盘？或者只是转移到其他应用程序？

嗯，这取决于。如果您的系统不支持multiprogramming（在多道程序设计系统中，主内存中有一个或多个程序已准备好执行），那么肯定是页面由于内存已移至硬盘，因此发生了故障。

如果您的系统支持多道程序设计，则取决于您的操作系统是使用全局页面替换还是本地页面替换。如果它使用全局，则是有可能内存已被移动以用于其他应用程序。但在本地，内存已被移回硬盘。当进程发生页面错误时，本地页面替换算法会选择替换某个属于同一进程的页面。另一方面，全局替换算法可以从整个帧池中自由选择任何页面。在处理thrashing时，有关这些问题的讨论会更多。

  

我对TLB未命中和页面错误之间的区别感到困惑。

当TLB（转换后备缓冲区）中不存在将虚拟地址转换为物理地址所需的页表条目时，会发生TLB未命中。 TLB就像一个缓存，但它不存储数据，而是存储页面表条目，这样我们就可以在TLB命中的情况下完全绕过页表，如图所示。

  

页面错误是否崩溃？或者它与TLB未命中相同？

由于崩溃无法恢复，因此它们都不会崩溃。但众所周知，我们可以从页面错误和TLB未命中恢复，而无需中止流程执行。

Answer 4

此图可能有助于查看发生命中或未命中时将发生的情况。

Answer 5

操作系统使用虚拟内存和页表将这些虚拟地址映射到物理地址。 TLB用作此类映射的缓存。

In [31]: a = np.array([1, 2])

In [32]: a1 = a.copy()

In [33]: a2 = np.array(a)

In [34]: a[0] = 99

In [35]: a1
Out[35]: array([1, 2])

In [36]: a2
Out[36]: array([1, 2])

程序搜索TLB中的页面，如果找不到该页面则是TLB未命中，然后进一步查找缓存中的页面。

如果页面不在缓存中，则表示缓存未命中，并进一步查找RAM中的页面。

如果页面不在RAM中，那么这是页面错误，程序会在二级存储中查找数据。

所以，典型的流程是

 program >>> TLB >>> cache >>> Ram