寻找最小页面大小以允许 TLB 访问与标签获取重叠答案

【问题标题】：Finding minimum page size to allow TLB access to overlap with tag fetch [duplicate]寻找最小页面大小以允许 TLB 访问与标签获取重叠
【发布时间】：2018-10-12 01:29:07
【问题描述】：

家庭作业问题，所以请把我推到正确的方向。

考虑一个具有物理寻址缓存的系统，并假设使用 40 位虚拟地址和 32 位物理地址，并且内存是字节可寻址的。进一步假设缓存是 4-way set-associative，缓存行大小为 64 Bytes，缓存总大小为 64 KBytes。

在这个系统中，允许 TLB 访问和缓存访问重叠的最小页面大小应该是多少？

我一直被这个问题所困扰，甚至不知道如何开始。有人可以给我一个寻找解决方案的提示吗？

【问题讨论】：

这是您必须做的： 1- 计算缓存中的集合数。 2-将物理地址划分为高速缓存行偏移字段、高速缓存集索引字段和高速缓存行标记字段。 3-对虚拟地址执行相同的操作。 4- 确定最小页面大小，使得缓存集索引不需要虚拟到物理的转换（因为位的值将保持不变），这将启用并行访问。

标签： cpu-architecture virtual-memory cpu-cache

【解决方案1】：

我认为问题中最重要的信息是

TLB 访问和缓存访问的重叠

这意味着，我们在访问 TLB 的同时访问 Cache。在实践中，我们真正要做的是，我们使用来自虚拟地址的索引位对缓存进行索引，当我们在缓存中找到条目时，我们将获得来自 TLB 的数据（物理地址）。然后我们可以与物理地址进行标签比较。换句话说，缓存充当虚拟索引、物理标记 (VIPT) 缓存。

尽管该方案听起来很有效，但需要注意的是，用于索引缓存的位数不能高于表示页面大小所需的位数。简单来说，一个页面的大小可以对缓存条目的数量设置一个上限。

现在回到你的问题，

它是一个 64KBytes 的缓存，带有 4 路设置组合。和 64Bytes 的缓存线。

Number of cachelines = (64KBytes/4)/64Bytes = 2^8 cachelines

这意味着如果一个页面是 256Bytes 或更大，我们可以使用这种机制。如果一个页面小于 256 字节，那么我们不能假设虚拟地址和物理地址的索引位将相同。

这个系统中允许的最小页面大小应该是多少？ TLB访问和缓存访问重叠？

256Bytes

【讨论】：

VIPT 缓存通常不要求所有索引位都来自页面偏移量以下。仅当您希望它与 PIPT 缓存一样缺少同音词/同义词别名时，才需要该要求，这就是问题所指定的（物理寻址缓存）。 VIPT 仅作为 PIPT 的一种速度技巧，一般来说是 VIPT 的一个特例。您还可以使用页面着色来解决别名问题：Virtually indexed physically tagged cache Synonym。
@PeterCordes 谢谢你，不知道。如果我理解正确，在 4K 页面场景（12 位）中，如果我想要 13 位缓存索引，我仍然可以使用 VIPT，前提是操作系统确保 PA 的第 13 位 = VA 的第 13 位
是的，否则操作系统必须在页表更改时刷新缓存。 IDK 如果您真的将带有页面着色的 VIPT 称为物理地址缓存，尽管通过软件合作，它会以这种方式运行并避免任何额外的刷新。一些早期的 CPU 使用 VIVT 缓存，或者（甚至更简单的）直接映射虚拟缓存，其中操作系统只需要在上下文切换或更改页表时刷新缓存。但随着缓存变得更大、更有价值，即使对于 L1d 来说，这也不是一个有吸引力的选择。
@PeterCordes 但这个答案是不正确的。对于 256 字节的页面，一些（事实上，大部分）索引位需要转换才能访问 PIPT 缓存。
@HadiBrais：很好，我没有检查其余答案中的数学或推理。我只是在评论第一段（它确实解释了正确的概念，所有索引位都来自页面偏移量下方并免费翻译。）