[MMU]TLB Miss 后的 Hardware Table Walk及优化
TLB Miss 后的 Hardware Table Walk及优化
摘要：基于x86-64架构（Intel/AMD的64位模式）来解释，因为这是4级页表（PML4/PDP/PD/PT）最常见的实现场景。如果您指的是其他架构（如ARM64或RISC-V），流程类似但细节不同，请提供更多信息，我可以调整。
响应假设4KB页大小（标准情况），并聚焦于硬件table walk（由CPU的MMU - Memory Management Unit自动执行）。我会逐步描述过程，包括硬件的内部操作、地址计算和异常处理。
1. 背景：TLB Miss 和 Hardware Table Walk 简介
- TLB (Translation Lookaside Buffer)：这是一个高速缓存，存储最近使用的虚拟地址（VA）到物理地址（PA）的映射。如果CPU需要访问一个VA，首先查询TLB：
- TLB Hit：直接获取PA，快速完成地址转换（通常几周期）。
- TLB Miss：映射不在TLB中，触发table walk。
- Hardware Table Walk：在现代x86-64 CPU中，这是由硬件（MMU）自动执行的“行走”过程。MMU会遍历多级页表，从CR3寄存器开始，逐级读取页表条目（entries），直到找到对应的物理页帧地址或触发异常。
- 为什么硬件执行？：为了效率，x86-64使用硬件walk（不像一些旧架构如MIPS依赖软件walk）。整个过程发生在CPU内部，可能涉及内存总线访问（慢于TLB hit）。
- 触发时机：指令获取（fetch）、数据加载/存储时发生TLB miss。
- 持续时间：可能需要多次内存访问（每个级1次），总计10-100+周期，取决于缓存命中。
- 优化：现代CPU有Page Walk Cache (PWC) 或TLB预取来加速。
如果walk成功，MMU会将结果插入TLB；如果失败，触发page fault异常交给OS处理。
2. 硬件进行 Table Walk 的详细过程
硬件table walk从CR3寄存器开始，逐级遍历4级页表。每个级涉及：
- 计算条目地址（使用VA的索引位）。
- 通过内存总线读取条目（64位）。
- 检查标志位（如Present位）。
- 提取下一级表的物理基地址（base address）。
假设一个48位虚拟地址（VA），分解为：
- Bits 47-39: PML4索引。
- Bits 38-30: PDP索引。
- Bits 29-21: PD索引。
- Bits 20-12: PT索引。
- Bits 11-0: 页内偏移。
步骤1: 初始化和访问PML4（第1级页表）
- 起点：MMU读取CR3寄存器，获取PML4表的物理基地址（PML4_Base，通常对齐到4KB，低12位为0）。
- CR3还包含控制位，如PCD（Page Cache Disable）和PWT（Page Write-Through），影响缓存行为。
- 计算PML4 Entry (PML4E)地址：
- Index = VA[47:39]（9位）。
- PML4E_PA = PML4_Base + (Index << 3)（每个条目8字节）。
- 硬件操作：
- MMU发出内存读取请求到PML4E_PA（通过L1/L2/L3缓存或主存）。
- 读取64位PML4E。
- 检查和提取：
- 检查Present (P)位（bit 0）：如果P=0，触发page fault（#PF异常，vector 14）。
- 检查权限位（如U/S - User/Supervisor, R/W - Read/Write）：如果当前模式（用户/内核）或操作（读/写）不匹配，触发#PF。
- 如果有效，从PML4E的bits 51-12提取PDP表的物理基地址（PDP_Base）。
- 缓存优化：如果PML4E在Page Walk Cache中命中，跳过内存读取。
步骤2: 访问PDP（第2级页表）
- 计算PDP Entry (PDPE)地址：
- Index = VA[38:30]（9位）。
- PDPE_PA = PDP_Base + (Index << 3)。
- 硬件操作：
- MMU读取PDPE_PA（内存访问）。
- 读取64位PDPE。
- 检查和提取：
- 检查P位：如果0，#PF。
- 检查权限位。
- 检查Page Size (PS)位（bit 7）：如果PS=1，这是1GB大页（huge page）。
- 直接计算PA：PA = (PDPE[51:30] << 30) + VA[29:0]（低30位偏移）。
- Walk结束，跳到步骤5。
- 如果PS=0，从PDPE的bits 51-12提取PD表的物理基地址（PD_Base）。
步骤3: 访问PD（第3级页表）
- 计算PD Entry (PDE)地址：
- Index = VA[29:21]（9位）。
- PDE_PA = PD_Base + (Index << 3)。
- 硬件操作：
- MMU读取PDE_PA。
- 读取64位PDE。
- 检查和提取：
- 检查P位：如果0，#PF。
- 检查权限位。
- 检查PS位：如果1，这是2MB大页。
- 直接计算PA：PA = (PDE[51:21] << 21) + VA[20:0]（低21位偏移）。
- Walk结束，跳到步骤5。
- 如果PS=0，从PDE的bits 51-12提取PT表的物理基地址（PT_Base）。
步骤4: 访问PT（第4级页表）
- 计算Page Table Entry (PTE)地址