分页的地址转换是否会降低内存访问性能？

Question

当启用分页时，某些硬件负责将虚拟内存地址转换为物理地址。已知的翻译通常保存在某种缓存中，即翻译缓存（TLB）。

假设缓存地址转换的内存访问，是否比没有启用分页直接访问内存慢？

我很想知道该翻译的开销，即使它被缓存了，因为对该缓存的访问可能也需要一些（尽管很短）的时间。还是那个时间计划作为时钟周期的一部分？

（要清楚，我的问题不是缺页故障或TLB的高速缓存未命中）

Answer 1

就像生活中的一切，这取决于！ :-)

为了简单起见，我们假设（a）我们正在讨论的是数据而不是指令（b）所有数据存储器访问都碰到了1级缓存（c）1级数据缓存是一个典型的组关联缓存。

数据高速缓存的每个块都必须用一个地址（小于偏移量）来标识。如果缓存使用虚拟地址，则不需要进行翻译并且没有开销。如果缓存使用物理地址，则必须在数据访问之前转换地址，从而为请求增加额外的延迟。即使对于一个小的TLB，我也不认为一个高性能的处理器既不能转换地址，也不能在同一个周期内完成缓存请求。因此，假定物理地址高速缓存确实具有地址转换开销是公平的。

因此，虚拟缓存听起来像更好的交易，对吗？不幸的是，这是一把双刃剑。问题是虚拟内存通常允许多个虚拟地址映射到相同的物理地址。如果在我们的缓存中存在映射到单个物理地址的两个虚拟地址，则修改一个不会反映在另一个物理地址中。

因此，这两个极端之间有一个选项。仍然假定一组关联缓存，我们可以使用虚拟地址作为索引，同时将地址转换为物理地址。之后，我们使用物理地址作为标签来访问数据。通过这种方式，我们将TLB转换从关键路径转移出去，从而实现与虚拟缓存相似的性能。它还使我们能够避免这种虚拟/物理混叠问题，尽管它通常需要来自操作系统的一点额外帮助。

因此，您可以看到它可以相同或更慢，具体取决于缓存的配置方式。