如果映射已经存在，则称为 TLB 缓存命中。TLB 缓存命中非常快，并且发生在硬件中。当 TLB 缓存中不存在从虚拟内存到物理内存的转换时，称为 TLB 缓存未命中。...TLB 缓存未命中会显著减慢数据库的读写速度： 数据库越大，访问的不同页面越多，需要的 TLB 查找就越多。这实际上是数据库工作集大小。...如果您使用 2MB 页面，那么您不太可能遇到 TLB 缓存未命中，因为您有效地使 TLB 缓存更大： AMD EPYC Zen 3 CPU 比 L1 和 L2 CPU 缓存大 512 倍 英特尔 Ice...Lake CPU 的 L1 CPU 缓存大 256 倍，L2 CPU 缓存大 512 倍 减少 TLB 缓存未命中的数量可以对数据库性能产生显著的积极影响。...Linux 性能取决于诸如工作负载每单位时间发生多少 TLB 缓存未命中等指标。
首发于个人博客 存储器性能评价指标 存储器停顿周期数 存储器的性能直接影响到CPU的性能评价，定义存储器停顿周期数为CPU等待存储器访问而停顿的时钟周期数，由此有CPU执行时间有： ?...，读取组中两个块中的标记部分（对应图中标号2） 将两个标记与地址的标志部分比较，同时检查有效位是否为拉高：若有一个标记有效且与地址的标记相同，则缓存命中，使用二选一选择器将对应的数据数据输出；否则缓存未命中...缓存访问流水化 该方法也为了降低命中时间，其将命中时间分散到多个时钟周期中，缩短了时钟周期并提高了带宽（时钟周期提高），但是增加了发出载入指令到获取到数据的时钟周期数，增加了分支预测错误代价。...为了加速这一类似缓存命中的过程，使用快速地址变换技术，即引入变换旁视缓冲区（TLB）。TLB的组织方式类似缓存，区别在于数据局域不是一个数据块而是一个物理地址。TLB结构如下图所示： ?...若不匹配，则L1缓存缺失，使用物理地址访问L2缓存进行命中操作。 举例：Opteron存储器管理 Opteron虚拟存储器部分使用AMD64的虚拟存储器结构。
但是EPC寄存器的值仍然指向最初造成TLB未命中的指令处。 这样的话，通用异常程序修复kseg2中的页表未命中问题（也就是将页表的地址合法化），然后，就返回到用户程序。...就像上面我们描述的TLB未命中异常处理程序中，再次发生读取页表地址miss异常一样。...但是，嵌套异常也分为2种：一种就是上面TLB未命中异常嵌套TLB未命中异常，这种不需要人为干预EPC和SR状态寄存器；另外一种，就需要我们必须保存被中断程序的EPC寄存器和SR寄存器内容。...比如，内核态（大多数异常处理程序工作在该模式下）不会发生特权违反异常，程序可以避免寻址错误和TLB未命中异常。尤其是处理高优先级的异常时，这样的原则很重要。...此处的计数器xcptcount最好位于kseg0中，这样在读写它时就不会得到TLB未命中异常。
各级Cache的访问时间,在英特尔处理器上一直保持比较稳定，L1 Cache访问是4个指令周期，L2 Cache是12个指令周期，L3 Cache则是26~31个指令周期。...第一,处理器每当进行寻址操作都要进行一次映射工作，这使得处理器访问页表的频率非常高，有可能一秒钟需要访问几万次，因此即使Cache命中率都能达到99以上，不命中率达到1%，不命中的访问频率每秒也有几百次...，这会导致处理器在单位时间内访问内存的次数多，降低了系统的性能 TLB Cache是专门用来存储内存中的页表项。...相连存储器使用虚拟地址进行搜索，直接返回对应物理地址，相对内存中的多级页表需要多次访问才得到最终的物理地址，TLB查找无疑大大减少了处理器的开销，这也是上面提到的第二个原因。...如果需要的地址在TLB Cache中，相连存储器迅速返回结果，然后处理器用该物理地址访问内存，这样的查找操作叫TLB Cache 命中；如果需要的地址不在TLB Cache中，那叫命中，处理器就需要到内存中访问多级页表
这种传统方法所以可行的一个重要原因是TLB的访问周期非常短（因为本质上TLB也是一个缓存），因而可以被纳入流水线。 但是，由于地址翻译发生在缓存访问之前，会比虚缓存更加频繁地造成TLB。...（4）多级cache 介于处理器和内存二者之间的缓存有两个天然冲突的性能指标：速度和容量。...这种结构的缓存可以令地址翻译和缓存查询并发进行，大大加快了缓存的访问速度。 由于电路延迟很大程度上取决于存储芯片的大小，所以可考虑使用较小容量的缓存以保证最短的访问周期。...AMD从K6到Opteron连续三代CPU的一级缓存容量都没有任何增长（均为64KB）正是基于这个原因。 另一方面，考虑使用简单的缓存，如直接匹配缓存，也可较组相联缓存减少命中时间。...这种做法可行性在于一级缓存的访问时间通常都极短，可能只有一到数个CPU周期。此外，由于TLB也是一种高速缓存硬件，所以也可以纳入流水线。
虚拟地址中对应V**域的位也会被写入到EntryHi（V**2）中，从而为未命中的地址建立新的TLB项。...XContext(R): 标志TLB未命中发生的地址空间。...所以，TLB未命中一般发生在用户态程序中。为了加速异常处理程序的执行，提供了几个特殊的硬件特性。...5.1 TLB未命中处理程序 TLB未命中异常发生时，如果状态寄存器SR中的EXL标志位没有被置位，总是会跳转到CPU特定的入口点，开始执行。...但是EPC寄存器的值仍然指向最初造成TLB未命中的指令处。 这样的话，通用异常程序修复kseg2中的页表未命中问题（也就是将页表的地址合法化），然后，就返回到用户程序。
如果进程使用的内存过大，比如1GB，这样会在页表中占用 1GB / 4KB = 262144个页表项，而系统TLB可以容纳的页表项远小于这个数量。...当多个内存密集型应用访问内存时，会造成过多的TLB未命中，因此在特定情况下会需要减少未命中次数，一个可行的办法就是增大每个页的尺寸。...操作系统默认支持的大页是2MB，当使用1GB内存时，在页表中将占用 1GB / 2MB = 512个页表项，可以大大提升TLB命中率，进而提升应用性能。...\n"); getchar(); munmap(m, s); return 0; } ---- 3.最后的话 大页内存的好处不仅是减少TLB未命中次数，而且大页内存分配的是物理内存，不会被操作系统的内存管理换出到磁盘上...，因此不会出现缺页中断，也就不会引入访问磁盘的时延，另外，大页内存在物理上是连续的，对于大内存访问也有一定的加速效果。
6.11 MIPS MIPS：每秒数百万条指令 7. cache 命中率：命中/访问 未命中：1 - 命中率 未命中时从较低存储级别复制块 7.1 直接映射缓存 （块地址）%（＃缓存中的块）...7.2 缓存命中与否 未命中：停顿CPU流水线，从下一层次结构中获取块 指令缓存未命中：重新启动指令获取 数据缓存未命中：完整的数据访问 7.3 直写(Write Through) 命中：数据写入命中时...未命中： 分配未命中(Allocate on miss)：更新该缓存块。...) TLB是地址转译的快取（转换后备缓冲区） 遗失可由硬件或软件处理 TLB没命中 如果页面在内存中：从内存中加载PTE，然后重试。...(Compulsory misses)（冷启动未命中）：首次访问块 容量缺失(Capacity misses)：由于缓存大小有限，稍后再次访问替换的块 冲突未命中(Conflict misses)：在非完全关联的缓存中
山，刺破青天锷未残。 天欲堕，赖以拄其间！ 这是毛主席《十六字令三首》的第三首，描述了巍峨的大山如利剑一般屹立在天地之间，又仿佛柱子一般支撑着青天，使其不会崩塌。...在计算机系统中，缓存就是内存存取性能的支柱，针对缓存组织的性能优化，也在很大程度上决定了编写的程序的性能。...8 Words AMD Milan 7763 x86, Zen-3 64bit 64Byte, 8 Words Kunpeng 920-6426 ARM 8.2 64bit 128Byte, 16 Words...TLB为内存到缓存的映射表，CPU在访问内存的时候，先到TLB里面看这块内存是否映射到了缓存，映射是否有效，如果答案为是，再去缓存中读取内容。...不同地址的内存频繁换入和换出缓存，造成缓存命中率实质上为0。
题外话： AMD64 技术可以运行 32 位的操作系统和应用程序，所用的方法是依旧使用 32 位宽的内存总线，每计算一次要取两次内存，性能提升也非常有限，不过好处就是可以使用大于 4GB 的内存了。...AMD 肯定怀念 K8 的黄金一代，1G 战 4G，靠的就是把内存控制器从北桥芯片移到 CPU 内部，提升了 CPU 和内存的通信效率，自然性能倍增。...、栈指针、程序计数器从内存中读出来，写入到 CPU 内部相应的模块中 执行程序计数器的指令，键盘处理程序开始处理键盘输入 完成了一次上下文切换 名词解释 寄存器：CPU 核心里的用于暂时存储指令...1GHz 的微处理器「AMD Athlon 1GHz」，此时一个指令的执行时间已经低到了 1ns，而其内存延迟高达 60ns，这导致了一个以前不曾出现的问题： 上下文切换读写内存的时间成了整个系统的性能瓶颈...如果缓存未命中（TLB miss），则要付出 20-30 个 CPU 周期的带价。
Part I：TLB命中示例 1、存储器层次结构 现代的高性能计算机系统要求存储器速度快、容量大，并且价格合理；然而，按照当前的技术水平，仅用单一的存储介质是很难满足要求的。...如果在 PTE 在 Cache 中未命中，就需要从内存中获取 PTE。这部分由于 Cache Miss 造成的开销是巨大的。...如果 TLB 命中了，那么所有的地址翻译步骤都是在 MMU 中执行的，所以非常快。 TLB命中 1. CPU 生成 1 个虚拟地址； 2. MMU 向 TLB 请求 PTE； 3....高速缓存将所请求的数据字返回给 CPU； b.TLB未命中 CPU 生成 1 个虚拟地址； MMU 向 TLB 请求 PTE，TLB 未命中； MMU 从高速缓存/内存中获取相应的 PTE； MMU...这是一个很大的节约，因为一个典型程序 4G 的虚拟地址空间的大部分都是未分配的。 如果页表层级太多，则增加缓存未命中的概率，一般层级是4。 2.
但如果只知其表，不知其里，在出现系统性能问题时往往手足无措，无法全面思考解决问题。 今天笔者尝试从 0 开始，用一篇文章讲明内存管理。...①V2.1 时间优化：增加 TLB 缓存 在计算机领域，当考虑性能提升的问题时，使用缓存是个万金油般的解决方案。...如果缓存命中（TLB Hit），将极大地提升地址转换速度，如果缓存未命中（TLB Miss），则重新从页表中查询。...遗憾的是，空间和时间永远是一对矛盾，TLB 容量越大，访问速度也随着降低，你无法实现一个足够大的 TLB 去替换掉内存上的页表，因此当 TLB 快满时，通常会使用近似 LRU 的算法将最少被使用的单元踢除...图 2-2 和 2-3 分别展示了 TLB 命中和未命中情况下的流程，如果命中，则只需一次物理内存访问；如果未命中，则会先到物理内存中查询 PTE，并更新至 TLB，然后再访问真正的数据地址。 ?
上面的这两种情况都是理想情况下出现的现象，但是在实际应用过程中情况会更加复杂，未命中的情况可能既不是硬失效又不是软失效。一些未命中可能更软或更硬（偷笑）。...在每个时钟中断时，操作系统会浏览内存中的所有页，会将每个页面的 R 位（0 或 1）加到它的计数器上。这个计数器大体上跟踪了各个页面访问的频繁程度。当缺页异常出现时，则置换计数器值最小的页面。...在相关的六个计数器被右移之后 R 位被添加到 左侧 ，就像上图中的 a。剩下的四列显示了接下来的四个时钟周期内的六个计数器变化。 CPU正在以某个频率前进，该频率的周期称为时钟滴答或时钟周期。...如果一个页面在前面 4 个时钟周期内都没有被访问过，那么它的计数器应该会有四个连续的 0 ，因此它的值肯定要比前面 3 个时钟周期内都没有被访问过的页面的计数器小。...LRU 算法是一个非常优秀的算法，但是没有特殊的硬件(TLB)很难实现。如果没有硬件，就不能使用 LRU 算法。 NFU 算法是一种近似于 LRU 的算法，它的性能不是非常好。
首先捋清楚 存储体系的层次化结构 我把知识整理成了这样的一张图 那么我们就能很清晰的在这张图上面理解到CPU在访问存储数据的过程 Cache 访问： CPU尝试从Cache中获取所需的数据。...如果Cache命中（Cache Hit），则直接从Cache中读取数据，完成访存操作。...TLB 查询： 如果Cache未命中（Cache Miss），CPU接下来会检查TLB（Translation Lookaside Buffer）。...TLB是一种特殊的存储器，用于快速地址转换，存储最近访问的页表条目。 如果TLB命中（TLB Hit），则使用TLB中的信息完成地址转换。...页表查询： 如果TLB未命中（TLB Miss），CPU将访问页表进行地址转换。 页表存储逻辑地址到物理地址的映射关系。 操作系统维护页表，其中包含有效位，指示对应的页面是否在物理内存中。
在页表结构中查找映射的过程称为 页表遍历(page table walk)。 上面的这两种情况都是理想情况下出现的现象，但是在实际应用过程中情况会更加复杂，未命中的情况可能既不是硬失效又不是软失效。...一些未命中可能更软或更硬（偷笑）。...在相关的六个计数器被右移之后 R 位被添加到 左侧 ，就像上图中的 a。剩下的四列显示了接下来的四个时钟周期内的六个计数器变化。 CPU正在以某个频率前进，该频率的周期称为时钟滴答或时钟周期。...如果一个页面在前面 4 个时钟周期内都没有被访问过，那么它的计数器应该会有四个连续的 0 ，因此它的值肯定要比前面 3 个时钟周期内都没有被访问过的页面的计数器小。...LRU 算法是一个非常优秀的算法，但是没有特殊的硬件(TLB)很难实现。如果没有硬件，就不能使用 LRU 算法。 NFU 算法是一种近似于 LRU 的算法，它的性能不是非常好。
调用setStatus函数将处理器状态设置为用户态，表示执行的是用户程序。然后使用OneInstruction(instr)执行指令，再使用OneTick()移动时钟周期。...接下来将Nachos的虚拟地址到物理地址的转换机制由传统的页表改为TLB。...接下来修改ReadMem()函数，修改部分内容如下，当发生错误时，交给操作系统处理错误（后续在这部分执行置换算法），如果是TLB未命中中断，在操作系统完成TLB的置换后再次执行将虚拟地址转化成物理地址。...// 发生tlb未命中中断，进行置换 void TLBPageSwap(int addr); 在machine.cc中实现置换函数如下所示。定义全局变量ptr用于循环遍历TLB寻找use位为0的页。...此处内容已隐藏，请付费后查看 重新编译并执行任意用户程序测试如下，发生了三次未命中中断。
基于软件的完全虚拟化。 优点：不用修改GuestOS内核可以直接使用；应用广泛。 缺点：在VMM捕获特权指令和翻译过程会导致性能的下降。 ?...第二层转化对于Guest OS来说是透明的。Guest OS访问内存时和在物理机运行时是相同的，所以可以实现全虚拟化。这种特性Intel和AMD都有支持。...Intel称之为Extended Page Tables (EPT)，AMD称之为Nested Page Tables (NPT)。其优点是hypervisor节省了工作，缺点是需要硬件支持。...TLB Virtualization：tagged TLB TLB：转换后援存储器；原生只存储VA→PA的对应关系。所以在虚拟内存中的两次转换会导致TLB的命中率失效。致使性能降低。...所以使用tagged TLB，它缓存了Guest对象和GVA→HPA的对应关系。需要CPU的支持。
多级页表的缺点 多级页表是有成本的，在 TLB 未命中时，需要从内存加载两次，才能从页表中获取正确的地址转换信息 (一次用于页目录，另一次用于 PTE 本身)，而用线性页表只需要一次加载。...(PFN) 与原来虚拟地址中的偏移量组合成期望的物理地址； 如果没有 (TLB 未命中)，在不同的系统中表现不一样： 硬件管理 TLB (旧体系结构，如 x86)：发生未命中时，硬件会遍历页表，找到正确的页表项...软件管理 TLB (更现代的体系结构)：发生未命中时，硬件系统会抛出一个异常，暂停当前的指令流，将特权级提升至内核模式，跳转至陷阱处理程序 (操作系统的一段代码)。...下一次重新访问 TLB 还是未命中，然而这次因为页在内存中，因此会将页表中的地址更新到 TLB 中。 最后的重试操作会在 TLB 中找到转换映射，从已转换的内存物理地址，获取所需的数据或指令。...交换策略有很多，如下： 最优交换策略 最优替换策略能达到总体未命中数量最少，即替换内存中在最远将来才会被访问到的页，可以达到缓存未命中率最低。但很难实现。
CPU性能指标 主存简单模式和简单寻址 存储器芯片的基本结构 寻址 半导体存储芯片基本结构 半导体随机存储器 DRAM的刷新--电容 SRAM的读周期--触发器 SRAM的写周期--触发器 RAM易失性存储器小结...ROM--只读存储器 存储器的性能指标 存储器的层次化结构 主存与CPU连接 主存容量扩展之位扩展 主存容量扩展之字扩展 借助译码器完成主从容量扩展 线选法和译码片选法的对比 字位同时扩展 存储周期中恢复时间的利用...直接映射进行替换 二路组相联进行替换 表格法清晰展示替换过程 Cache工作原理小结 Cache写策略 命中 写回法 全写法 未命中 写分配法 写分配法 写策略小结 多级Cache Cache例题 Cache...---- 计算机体系结构 ---- ---- 计算机性能指标 存储器性能指标 ---- CPU性能指标 CPU主频可以理解为1秒钟可以执行多少个时钟周期 ---- 主存简单模式和简单寻址...未命中 写分配法 ---- 写分配法 ---- 写策略小结 ---- 多级Cache ---- Cache例题 ---- Cache原理图 ---- Cache容量计算 ---- 虚拟存储器
比如 Intel 的多核芯片采用的是共享 L2 模式而 AMD 的多核芯片则采用的是独享 L2 模式。...MMU 每次翻译虚拟地址的时候都需要从页表中匹配一个对应的 PTE，导致进程通过 MMU 访问指定内存数据的时候比没有分页机制的系统多了一次内存访问，一般会多耗费几十到几百个 CPU 时钟周期，性能至少下降一半...下面来具体分析一下 TLB 命中和不命中。...这里读者可能会对 MMU 每次都访问 k 个 PTE 表示性能上的担忧，此时就是 TLB 出场的时候了，计算机正是通过把每一级页表中的 PTE 缓存在 TLB 中从而让多级页表的性能不至于落后单页表太多...TLB：计算机硬件，主要用来解决引入虚拟内存之后寻址的性能问题，加速地址翻译。如果没有 TLB 来解决虚拟内存的性能问题，那么虚拟内存将只可能是一个学术上的理论而无法真正广泛地应用在计算机中。
领取专属 10元无门槛券
手把手带您无忧上云
云服务器
即时通信 IM
ICP备案
对象存储
实时音视频
