TLB和数据缓存如何工作？

我正在尝试考试，但我意识到我对TLB和数据缓存的工作方式感到困惑。

我知道TLB本质上是最近使用的物理地址的缓存。但是，我正在看教科书中的一个图表（如下所示），但我不知道其中发生了什么。我猜它突然分裂了物理地址，并用它来索引缓存。但是为什么它分别显示缓存和数据？为什么字节偏移量只是浮动？我很确定缓存也应该存储数据。我认为它的唯一目的不是确定其内部是否有命中或失误。

我为我的无知事先表示歉意，但是这本书几乎没有涵盖TLB的内容（只不过是一页纸），并且在解释TLB和缓存之间的关系方面做得不好。

我想我看到你的困惑。TLB和数据缓存是两个单独的机制。它们都是某种类型的缓存，但是它们缓存不同的东西：

• TLB是虚拟地址到物理地址查找的缓存。通过在页表中查找虚拟地址，页表提供了一种映射虚拟地址物理地址的方法。但是，在页表中进行查找的速度很慢（涉及2-3个内存负载）。如果处理器每次有任何指令访问内存时都必须执行此查找，则将导致速度显着下降。$\mapsto$

  因此，TLB充当此查找的专用缓存。TLB有几个TLB条目，其中每个TLB条目都包含一个虚拟地址及其对应的物理地址。

  TLB使处理器可以非常快速地将虚拟地址转换为物理地址。如果一条指令要求处理器对（虚拟）地址进行某些内存操作，则处理器首先检查以查看TLB是否包含该虚拟地址的条目。如果是这样，那么这将称为TLB查找的“缓存命中”，并且由于TLB条目还包含转换后的物理地址，因此处理器立即知道要使用的物理地址。如果没有，那将是TLB查找的高速缓存未命中，并且处理器必须通过遍历页面表来费力地进行虚拟到物理的转换。（一旦完成该转换，它将在TLB中添加一个条目，以便该虚拟地址的未来转换将更快地进行。）

• 数据缓存是内存内容的缓存。主存储器使您可以指定一个物理地址并读取该物理地址上的值。但是，主内存很慢。如果每次都要进行任何内存操作时都必须转至主内存，那么处理器将非常慢。

  因此，数据缓存充当内存读取的专用缓存。数据高速缓存具有一些高速缓存条目，其中每个高速缓存条目都包含一个物理地址和该地址处的内存值。

  数据缓存使处理器可以非常快速地从内存中读取数据。当处理器想要读取某个（物理）地址的内存时，它首先检查数据缓存，以查看其是否包含该地址的缓存条目。如果是这样，这称为“高速缓存命中”（在数据高速缓存中），并且处理器可以立即使用存储在该高速缓存条目中的数据值，而无需联系主内存。如果不是，则为“高速缓存未命中”（用于数据高速缓存），并且处理器需要进入主存储器。（处理器从主内存接收到该地址处的值后，它将向数据高速缓存中添加一个高速缓存条目，以便尝试读取该地址的尝试将在数据高速缓存中命中。）

它们都是高速缓存，但是它们具有不同的用途。处理器对每个内存操作都使用这两种方法：首先使用TLB将虚拟地址转换为物理地址，然后检查数据缓存以加快读取该地址存储在内存中的值的过程。

有关更多详细信息，您可以阅读有关TLB的Wikipedia文章。如果您进行搜索，则在TLB和数据缓存上还有很多其他信息。我建议搜索“ TLB”和“ L1缓存”或“ L2缓存”（后两种是数据缓存）。

（供以后参考：我们希望您在问这里之前先对问题进行一些研究，并检查标准的Internet来源。如果可以在Wikipedia中找到答案，则您自己还没有做足够的研究。您可能已经做了如果您在提出问题之前先检查了Internet来源以了解有关TLB的信息，那么情况会更好。请参阅Stack Overflow用户的预期研究工作。研究技能-在整个职业生涯中对您来说都是很有价值的。）