Kas yra vertimo vietos buferis?

CPU yra neįtikėtinai sudėtingi žvėrys. Yra daugybė tarpusavyje susijusių dalių, kurios visos turi veikti tobulai vieningai, kad pasiektume tokį našumo lygį, kokį matome. Atminties našumas yra pagrindinis šiuolaikinių procesorių našumo veiksnys, ypač kaip ribojantis veiksnys.

Kodėl atminties greitis yra toks svarbus?

CPU yra neįtikėtinai greitas, o naujausios kartos veikia 5,7 GHz dažniu, kai tinkamai aušinami. Tai leidžia jiems kas sekundę atlikti 5,7 mlrd. operacijų. Daugelis šių operacijų atlieka veiksmą su tam tikro tipo duomenimis, kurie turi būti saugomi atmintyje.

Pagrindinė sistemos atmintis, žinoma kaip RAM, taip pat yra labai greita. Deja, jis yra labai greitas, palyginti su bet kuo, išskyrus centrinį procesorių. Šiuolaikinės aukščiausios klasės RAM absoliutus delsos laikas yra maždaug 60 nanosekundžių. Deja, tai reiškia maždaug 342 procesoriaus ciklus. Siekiant pagreitinti prieigą prie atminties, naudojama procesoriaus talpykla, kuri dinamiškai kaupia duomenis. Ši talpykla yra pačiame procesoriaus bloke ir naudoja SRAM elementus, o ne DRAM elementus, todėl ji yra daug greitesnė. Deja, procesoriaus talpykla taip pat yra daug mažesnė nei sistemos RAM, paprastai net 100 MB. Vis dėlto, nepaisant mažo dydžio, pakopinė procesoriaus talpyklos sistema labai padidina sistemos našumą.

Čia ateina virtualioji atmintis, kuri viską sujaukia

Šiuolaikiniai kompiuteriai naudoja sistemą, vadinamą virtualia atmintimi. Užuot paskirstę procesams fizinės atminties adresus, naudojami virtualios atminties adresai. Kiekvienas procesas turi savo virtualios atminties adresų erdvę. Tai turi du privalumus. Pirma, tai leidžia lengvai atskirti atmintį, kuri priklauso vienam procesui, ir atminties, kuri priklauso kitam. Tai padeda išvengti atakų, kai kenkėjiška programinė įranga nuskaito duomenis iš kitos programinės įrangos atminties ir gali pasiekti neskelbtiną informaciją. Tai taip pat slepia fizinę atminties struktūrą nuo proceso. Tai leidžia CPU perkelti retai naudojamus atminties bitus į atmintyje esantį ieškos failą, nebūtinai jo neatjungiant iš virtualios RAM. Tai leidžia kompiuteriui švelniai valdyti scenarijus, kai reikia daugiau RAM, nei yra fiziškai. Be virtualios atminties,

Deja, jei naudojate virtualios atminties adresus, kompiuteris turi iš tikrųjų išversti tuos virtualios atminties adresus į fizinės atminties adresus, kad galėtų nuskaityti duomenis. Tam reikia lentelės, kurioje būtų saugomi visi virtualios atminties adresų vertimai į fizinės atminties adresus. Jos dydis tiesiogiai priklauso nuo naudojamos RAM kiekio. Paprastai jis yra gana mažas, bent jau lyginant su sistemos RAM talpa. Deja, jei virtualiųjų adresų ir fizinių adresų vertimą saugote RAM, turite pateikti dvi užklausas RAM kiekvienam užklausai RAM. Vienas norint rasti fizinį adresą, kurio reikia prašyti, o kitas, kad iš tikrųjų pasiektų tą vietą.

Įveskite vertimo buferį

Šios problemos sprendimas yra greičiau išsaugoti vertimo lentelę. CPU talpykla puikiai atitiktų sąskaitą, bent jau iš greičio perspektyvos. Tačiau problema yra ta, kad procesoriaus talpykla yra maža ir jau labai išnaudota. Lentelė ne tik netelpa į talpyklą, bet ir sutrikdys jos našumą lemiantį naudojimą.

Žinoma, jei talpyklos principas jau veikia prieigai prie atminties, kodėl gi to nepakartojus vertimo lentelei? Ir būtent tai yra „Translation Lookaside Buffer“ arba TLB. Tai didelės spartos talpykla, skirta naujausiems adresų vertimams. Jis nėra pakankamai didelis, kad būtų galima laikyti visą lentelę, tačiau dėl mažo dydžio jis gali reaguoti labai greitai, per vieną laikrodžio ciklą.

Bet kokia atminties užklausa siunčiama per TLB. Jei yra TLB įvykis, jis gali pateikti tikrosios užklausos fizinės atminties adresą, paprastai pridedant vieną delsos ciklą. Jei TLB trūksta, paieška turi būti atliekama iš pagrindinės atminties. Maždaug 5 ciklų TLB praleidimas sumažina veikimą, o tai daugiau nei užtemdo prieigos prie atminties delsa. Kai adreso vertimas gaunamas iš sistemos RAM, jis perkeliamas į TLB, o užklausa pakartojama iškart paspaudus TLB.

Pastaba: yra įvairių TLB iškeldinimo schemų. Kai kurie gali naudoti „First In“, „First Out“ arba „FIFO“ schemą. Kiti gali naudoti mažiausiai dažnai naudojamą arba LFU schemą.

Tais retais atvejais, kai adreso vertimo lentelėje nėra įrašo, atsiranda puslapio klaida, nes prašomų duomenų nėra RAM. Tada OS turi išspręsti gedimą ir perkelti duomenis iš saugyklos į RAM, kad būtų galima tęsti užklausą.

Išvada

„Translation Lookaside Buffer“ arba TLB yra didelės spartos procesoriaus talpykla, skirta naujausių adresų vertimams iš puslapio failo sistemos RAM talpykloje išsaugoti. Tai būtina, nes virtualios atminties sistemos, įdiegtos visuose šiuolaikiniuose kompiuteriuose, reikalautų dviejų užklausų į RAM už kiekvieną užklausą RAM. Vienas skirtas virtualiosios atminties adresui išversti į fizinės atminties adresą, o kitas – realiai pasiekti fizinį adresą. Išsaugojus naujausius vertimus, TLB įvykių atminties delsa gali būti labai sumažinta.

Reikia pasirūpinti, kad talpykloje esantys vertimai būtų susiję su šiuo metu aktyviu procesu. Kadangi kiekvienas procesas turi skirtingą virtualią adresų erdvę, jų negalima naudoti pakartotinai. Griežtai to neapriboti buvo „Meltdown“ pažeidžiamumo priežastis.