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CPU加了缓存后,有人急了

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夏槿凉安城 2021-09-17 15:26
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Hi,我是CPU一号车间的阿Q,还记得我吗,真是好久不见了~

我所在的CPU是一个八核CPU,就有八个工作车间,那运行起来速度杠杆的~

虚拟地址翻译

一大早,我们一号车间MMU(内存管理单元)部门的小黑就来到领导办公室,恰好我也在。

“领导,听说您同意了阿Q他们的方案,给每个车间都划拨了缓存建设预算?”

“你这小子,消息还挺灵通的。没错,内存那家伙实在太慢了,加了缓存后,不用每次都从内存读取数据,能让咱们的性能提升不少”,领导说到。

“那我们MMU部门也要申请一笔经费”,小黑说到。

领导眉头一紧,问道:“你们要申请经费干什么?”

“我们也要建设缓存”

“你们MMU部门做地址翻译工作,要缓存做什么,怕不是看领导给我们拨了款,眼红了吧?”,我在一旁说到。

小黑转过身来,看着我说道:“说我眼红,我倒是问你,你知道虚拟地址翻译的过程吗?”

这可难不倒我,以前就没少听他说过,“怎么不知道?以32位的虚拟地址为例,一个32位的虚拟地址分为三部分,分别是页目录索引、页表索引、页内偏移。翻译的时候,从CR3寄存器中取出页目录地址,根据页目录索引找到页表,再根据页表索引找到物理内存页面,最后根据页内偏移,完成寻址。我说的对吧?”

“嘿,你小子不错啊,记性挺好”,小黑有点不敢相信,随后又问道:“既然你知道,那我再问你,这读取一次数据,需要访问几次内存?”

我思考了一下,开始算了起来。从页目录表中读取一次,从页表中再读取一次,最后访问页面内数据再读取一次,总共就是三次。

“需要访问三次内存!”,我回答道。

小黑点了点头说道:“没错,你知道的,内存那家伙本来就慢,这每读写一个数据,都要访问内存三次,这谁顶得住啊?”

说的是啊,内存那家伙慢我是知道的,但读写一次就要折腾三回,我倒是没想过。

“就这还是32位地址的情况,我还没算64位下变成了4级页表呢,那访问内存的次数就更多了!”

“好在咱们马上就要建设缓存设施了,也不用每次都从内存读取数据,要是缓存能找到,就不用读取内存了嘛!”

“可是查页目录和页表还是得要两次啊”,小黑说道。

“要是能把地址翻译的结果也缓存起来就好,就不用每次都从内存查了”,我陷入了思考。

“你看,你跟我想到一会儿去了,所以我才向领导申请,咱们MMU部门也加上缓存,这样地址翻译变快了,咱们整个车间工作效率才高嘛!”

这时,领导站了起来,说道:“唉~格局要打开,光你们一号车间提高不行,得发动全厂八个车间一起。小黑,经费的问题不用担心,这事由你牵头,把其他几个车间的MMU部门负责人召集起来开个会,把你说的方案落地下去”

“没问题!”,领导这么一说,小黑高兴坏了。

地址翻译缓存

回去的路上,我又忍不住好奇,向小黑打听起来:“你们这翻译地址用的缓存,准备怎么个弄法?”

“我还没想的很成熟,只有个大概的方案”

“快给我透露一下”

“好吧,告诉你也无妨!我举个例子吧,假设要翻译的虚拟地址是0x12345678,这是一个32位的地址,前面的20位是0x12345000,经过两次查表后,定位到真实的物理页面0x00abc000,最后再加上页内偏移,翻译结果就是0x00abc678”

“地址翻译完成后,将虚拟页编号0x12345和物理页编号0x00abc的映射关系记录起来放到缓存中”

“在进行地址翻译的时候,先去这个缓存里瞅一瞅,看看有没有记录过,如果有就直接用之前记录的,找不到再去内存页表中找。跟局部性原理类似,翻译过的地址,在接下来一段时间内再次用到的可能性很大,所以这个缓存是很有必要的!”,小黑非常自信的说道。

“听上去很不错,期待早点上马啊!”

TLB

过了几天,我打算去MMU部门转转,想看看他们的缓存搞的咋样了。

一进门,只见小黑和其他几个车间的MMU部门负责人正在紧张的讨论着,一旁的画板上画了不少条条框框的图。

“小黑老哥,你们这是在做什么呢?”

“我们正在研究这个翻译记录缓存项的存储方式呢!你来的正好,我们讨论了半天也没什么好的思路,快来帮我出出主意”

我有些好奇,问道:“什么问题把你们都难倒了?”

“就是虚拟地址翻译的结果,我们不知道怎么存了!”

“这有什么好纠结的,缓存空间就那么大,一个翻译结果就是一条记录,一条一条的存呗”

二号车间MMU负责人连连挥手,“没你想的这么简单,按照你这种存法,那在翻译地址的时候,怎么查找?难道要全部扫描一遍?”

我愣了一下,“啊这,我倒是没想这么多···不过缓存空间也不大,存不了太多翻译结果,全部扫描也还好吧?”

“那可不行,咱们CPU的目标就是要把性能优化到极致,这种方案上了,领导还不得骂死我”,小黑说到。

我想了想,“有了,给虚拟页编号取模,每个虚拟页的翻译记录只能存在缓存中固定的位置,这样不用全部扫描,一次就能定位,是不是很赞?”

小黑摇了摇头:“这个方案我们刚才也讨论过了,缓存空间有限,会导致大量的虚拟页取模后映射到同一个存储位置,就会经常冲突,也不是个好办法!”

“看来还真有点麻烦啊”,我也不自觉的皱起了眉头,陷入了思考之中。

“可不是嘛,所以我们才头疼啊”

空气突然安静,所有人都在低头沉思。

“哎,有了!”,一个念头在我脑中闪现。

“有什么办法?快说说看”

“分组连接!”

“分组连接?”,众人问道。

“没错!把前面这两种方案结合一下。可以把缓存存储空间划分很多个组,全部遍历太慢,直接取模映射又容易冲突,那如果映射的结果不是一个固定的位置,而是一个分组呢?”

“听上去不错唉,这样既降低了冲突,遍历也只需在分组区间里进行了,工作量大大降低了,真是个好办法”

小黑和大家都一致同意了我的想法。

“那怎么分组呢,多少项为一组呢?”,有人问道。

“嗯,这个我也说不好,得做实验验证,2、4、8、16都可以试试,实践出真知嘛!”

“好,没问题,咱们下来测试下”

“我还有一个问题,你们的这个缓存项什么时候更新呢?咱们在保护模式下,不同的进程中,同一个虚拟页翻译后对应的物理页面可是不同的,你们可不要用了错误的缓存,那可就出大乱子了!”

“嗨,这还用你说,在场的各位干这份工作时间都不短了,这一点我们比你更清楚。进程切换的时候,会把新进程的页目录表基地址写到CR3寄存器中,那时候我们就会把缓存中的数据全部清掉啦!”,小黑胸有成竹的说道。

“也不用全部清掉吧,像有些内核页面,是所有进程共享的,就可以保留啊”

小黑点了点头,“有道理,看来得给地址翻译记录增加一个标记,用来标记是不是全局有效”

一个月后,八个车间MMU部门的缓存全部建设完成,当天便投入使用,咱们这个CPU的运行效率一下突飞猛进,这缓存的威力可真是太大了。

为了跟我们的一二级缓存相区分,小黑还给他们的地址翻译缓存取了一个响亮的名字:TLB——翻译后备缓冲区。

作者:轩辕之风O

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