Шта је превођење Лоокасиде Буффер?

ЦПУ су невероватно сложене звери. Постоји огроман број међусобно повезаних делова који сви морају да раде савршено унисоно да би постигли нивое перформанси које видимо. Меморијске перформансе су кључни фактор у перформансама модерних ЦПУ-а, посебно као ограничавајући фактор.

Зашто је брзина меморије толико важна?

ЦПУ-и су невероватно брзи, са најновијим генерацијама које раде на 5,7 ГХз када су адекватно хлађене. То им омогућава да заврше 5,7 милијарди операција сваке секунде. Многе од ових операција изводе радњу на неком типу података који треба да се ускладишти у меморији.

Главна системска меморија, позната као РАМ, такође је веома брза. Нажалост, веома је брз у поређењу са било чим другим осим са ЦПУ-ом. Апсолутна латенција на модерној високој РАМ меморији је реда величине 60 наносекунди. Нажалост, то значи отприлике 342 ЦПУ циклуса. Да би се убрзао приступ меморији, користи се кеш процесора који динамички кешира податке. Овај кеш се налази на самом процесору и користи СРАМ ћелије уместо ДРАМ ћелија што га чини много бржим. Нажалост, кеш процесора је такође много мањи од системске РАМ меморије, углавном не износи чак 100 МБ. Ипак, упркос својој малој величини, вишеслојни ЦПУ кеш систем значајно повећава перформансе система.

Овде долази виртуелна меморија да све забрља

Савремени рачунари користе систем који се зове виртуелна меморија. Уместо додељивања адреса физичке меморије процесима, користе се адресе виртуелне меморије. Сваки процес има свој адресни простор виртуелне меморије. Ово има две предности. Прво, омогућава лако одвајање меморије која припада једном процесу и меморије која припада другом. Ово помаже у спречавању напада у којима злонамерни софтвер чита податке из меморије другог софтвера, потенцијално приступајући осетљивим информацијама. Такође сакрива структуру физичке меморије од процеса. Ово омогућава ЦПУ-у да премести ретко коришћене делове меморије у датотеку страничне меморије у складишту, без да је нужно демонтаже из виртуелне РАМ меморије. Ово омогућава рачунару да нежно управља сценаријима где је потребно више РАМ-а него што је физички присутно. Без виртуелне меморије,

Нажалост, ако користите адресе виртуелне меморије, рачунар треба да преведе те адресе виртуелне меморије у адресе физичке меморије да би прочитао податке. Ово захтева табелу за складиштење свих превода адреса виртуелне меморије у адресе физичке меморије. Величина овог директно зависи од количине РАМ-а који се користи. Генерално је прилично мали, барем у поређењу са капацитетом системске РАМ меморије. Нажалост, ако складиштите превод између виртуелних адреса и физичких адреса у РАМ-у, морате да направите два захтева за РАМ за сваки захтев за РАМ. Један да пронађе физичку адресу коју треба затражити, а други да заиста приступи тој локацији.

Унесите бафер за гледање превода

Решење овог проблема је брже складиштење табеле превода негде. ЦПУ кеш би се добро уклопио, барем из перспективе брзине. Проблем са тим је, међутим, што је кеш процесора мали и већ увелико искоришћен. Не само да се табела не уклапа у кеш меморију, већ би то пореметило њену употребу која већ дефинише перформансе.

Наравно, ако принцип кеша већ функционише за приступ меморији, зашто га не поновити за табелу превођења? А то је управо оно што је Транслатион Лоокасиде Буффер, или ТЛБ. То је кеш меморија велике брзине за недавне преводе адреса. Није довољно велика да похрани целу табелу, али њена мала величина значи да може да реагује веома брзо, у оквиру једног циклуса такта.

Сваки захтев за меморијом иде преко ТЛБ-а. Ако постоји ТЛБ погодак, он може да обезбеди адресу физичке меморије за стварни захтев, обично додајући један циклус кашњења. Ако постоји ТЛБ промашај, тражење се мора извршити из главне меморије. Постоји мала казна перформанси за ТЛБ промашај од око 5 циклуса, губитак који је више него помрачен латенцијом приступа меморији. Када се превод адресе преузме из системске РАМ меморије, гура се у ТЛБ и захтев се затим понавља са тренутним ТЛБ поготком.

Напомена: Постоје различите шеме за исељење ТЛБ-а. Неки могу користити први ушао, први изашао или ФИФО шему. Други могу користити најмање често коришћену или ЛФУ шему.

У ретким случајевима када нема уноса у табели превода адреса, долази до грешке странице, јер тражени подаци нису у РАМ-у. Оперативни систем тада мора да реши грешку и пренесе податке из складишта у РАМ пре него што захтев може да се настави.

Закључак

Транслатион Лоокасиде Буффер, или ТЛБ, је брза ЦПУ кеш меморија посвећена кеширању недавних превода адреса из датотеке странице у системској РАМ меморији. Ово је неопходно јер би системи виртуелне меморије, као што су имплементирани у свим савременим рачунарима, захтевали два захтева за РАМ за сваки захтев за РАМ. Један за превођење адресе виртуелне меморије у адресу физичке меморије, а други за стварно приступ физичкој адреси. Кеширањем недавних превода кашњење меморије може бити знатно смањено за ТЛБ поготке.

Мора се водити рачуна да се обезбеди да су кеширани преводи релевантни за тренутно активни процес. Пошто сваки процес има другачији виртуелни адресни простор, он се не може поново користити. Ово није стриктно ограничавање био узрок рањивости Мелтдовн-а.