26、虚拟内存与缓存集成及内存层次结构解析

虚拟内存与缓存集成及内存层次结构解析

1. 虚拟内存与缓存集成

1.1 虚拟索引虚拟标签（VIVT）缓存

VIVT 缓存是一种直接使用虚拟地址进行索引和标签的缓存解决方案。它无需将虚拟地址转换为物理地址，就能直接检查缓存中的数据并进行提取，显著减少了命中时间。与 PIPT 缓存组织相比，VIVT 缓存的实现更为简单，因为它在索引和标签过程中都使用虚拟地址，无需复杂的地址转换和额外的物理地址硬件支持，从而降低了硬件复杂度和成本。

然而，VIVT 缓存也存在一些挑战。虚拟地址可能会出现别名问题，即不同的虚拟地址可能映射到相同的缓存索引。当两个不同的程序对同一物理地址使用不同的虚拟地址时（例如，两个程序都访问相同的操作系统子程序），就会出现这种情况。这些重复的地址（别名）可能导致缓存中存在同一数据的两份副本，如果其中一份被修改，另一份的值就会出错，进而导致缓存冲突，降低缓存性能。而 PIPT 缓存则不会出现这种问题，因为访问会首先转换为相同的物理缓存块。

1.2 虚拟索引物理标签（VIPT）缓存

现代计算机系统采用了一种折中的方法，即 VIPT 缓存。它使用虚拟索引和物理标签来平衡性能和复杂度。VIPT 缓存从物理地址中获取标签位，从虚拟地址中获取索引。这种缓存与转换后备缓冲器（TLB）同时工作。

当 CPU 发出虚拟地址时，缓存索引（数据访问和标签访问）立即开始，无需为缓存索引转换虚拟地址。因为缓存使用在地址转换过程中不改变的虚拟地址部分进行索引，这实际上等同于使用物理地址对缓存进行索引。同时，TLB 使用虚拟页号进行搜索，并从 TLB 中获取物理地址。最后，将缓存索引期间从 VIPT 缓存中获取的标签与 TLB 中