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分页(二)—快速转换
分页的基础方法对物理地址的查询依赖于page table，但是基于page table的查询需要两段步骤，因此速度很慢。这也就导致了分页方法带来了非常高的性能开销，为了解决这个问题，我们会增加一个内存缓冲区translation-lookaside buffer(TLB)，一基于硬件的虚拟地址-物理地址转换的缓存技术。通过TLB技术，大部分的内存访问申请都会经由缓存快速的定位，使page这一技术的可用性大大提升。
你可能在其它的地方见过缓存的技术，或许你会疑惑，内存的访问速度已经很快了，为什么还需要缓存。我们可以用下面这张图来直观的解释
可以看到即使是L2缓存的读取速度也比内存读取速度块至少10倍，如果每一次内存请求都得访问内存至少两次的话，对于总体速度的影响是十分大的。
简单来讲的话，TLB就是一个离CPU十分近的存储结构，用来缓存以页表为单位的数据，一个典型的TLB有32、64、128个entry，也就是页表。在每次处理虚拟内存访问时，硬件会首先检查TLB中是否包含转换信息，如果没有，才会去查询物理内存。
TLB到底由什么组成呢？在TLB中，一个entry字段包含VPN、PFN以及其它的功能bit位。VPN和PFN的功能很明显就是不经由寄存器，直接由VPN映射PFN。我们由功能延申一下其它bit位的含义，首先是最重要的ASID位。当进行context switches时，不同进程的TLB可能会出现冲突，我们在entry字段中安放ASID字段作为进程的标识符。固定的，entry字段中还会有valid bit、protection bit、dirty bit等。
以简化版MIPS R4000系统中entry字段为例，由图可知，该系统中一个entry字段长64 bytes，包含除了我们上面说的部分以外，还有global bit、coherence bit等部分。
我们无法给每一个计算机硬件的单位内容都重新命名，因此我们用entry来描述一个结构中的基本单位，之后我们会大量的见到这种描述
具体的，我们以一个C语言程序为例子来解释一下TLB的工作原理，这个例子中page大小位16 bytes，因为一个整型变量的大小为4 bytes，40个bytes占三页，数组在地址空间中的占用情况如图所示。
我们假设一个TLB的大小是一页，每次内存访问到TLB中没有的页，就会将那一页存储到TLB中。
可以知道从程序开始到程序结束，TLB的使用情况为miss, hit, hit, miss, hit, hit, hit, miss, hit, hit。相当于70%的访问是被提前记录的，事实上，如果分页更大，变量空间占用越大，命中率还会继续提高到90%以上。
既然提到了命中率，那么没有命中的时候要怎样处理呢。这也是现代操作系统的一大分歧点，对于复杂指令集系统如CISC，例如intel x86系列，以硬件为基础来处理TLB miss的情况，也就是说，TLB miss并不会引发任何trap，硬件负责将新的TLB entry加入TLBs中，要做到这一点需要不少的硬件代价。下图是TLB参与整个内存访问的流程。
对于简单指令集系统如RISC，例如MIPS R10k，则由操作系统来处理TLB miss，这样做有两个方面的优点，一是灵活，操作系统可以基于相同的逻辑，使用任意数据结构来构建page table和TLB，易于使用也易于更改；二是简单，硬件只需要在遇到TLB miss时引发一个trap，之后让操作系统处理即可。
早期RISC系统的芯片产生时引发了很多影响，因为明显RISC更快，但是经过这些年的演变，CISC逐渐吸收了很多RISC的特点，现在两者都可以达到很快的处理速度。
