ما هو المخزن المؤقت للترجمة؟

وحدات المعالجة المركزية هي وحوش معقدة بشكل لا يصدق. هناك عدد كبير من الأجزاء المترابطة التي يجب أن تعمل جميعها في انسجام تام لتحقيق مستويات الأداء التي نراها. يعد أداء الذاكرة عاملاً رئيسيًا في أداء وحدات المعالجة المركزية الحديثة ، على وجه التحديد كعامل مقيد.

لماذا سرعة الذاكرة مهمة جدا؟

وحدات المعالجة المركزية سريعة بشكل لا يصدق ، حيث تعمل أحدث الأجيال بسرعة 5.7 جيجاهرتز عند تبريدها بشكل مناسب. هذا يسمح لهم بإكمال 5.7 مليار عملية كل ثانية. تؤدي العديد من هذه العمليات إجراءً على نوع ما من البيانات التي يجب تخزينها في الذاكرة.

ذاكرة النظام الرئيسية ، والمعروفة باسم RAM ، هي أيضًا سريعة جدًا. لسوء الحظ ، إنه سريع جدًا عند مقارنته بأي شيء آخر غير وحدة المعالجة المركزية. يبلغ زمن الانتقال المطلق لذاكرة الوصول العشوائي الحديثة المتطورة 60 نانوثانية. لسوء الحظ ، هذا يترجم إلى ما يقرب من 342 دورة من دورات وحدة المعالجة المركزية. لتسريع الوصول إلى الذاكرة ، يتم استخدام ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية التي تخزن البيانات بشكل ديناميكي. توجد ذاكرة التخزين المؤقت هذه على وحدة المعالجة المركزية (CPU) نفسها وتستخدم خلايا SRAM بدلاً من خلايا DRAM مما يجعلها أسرع كثيرًا. لسوء الحظ ، فإن ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية أصغر أيضًا بكثير من ذاكرة الوصول العشوائي للنظام ، وعمومًا لا يصل مجموعها إلى 100 ميجابايت. ومع ذلك ، على الرغم من حجمه الصغير ، فإن نظام ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية يعمل على زيادة أداء النظام بشكل كبير.

هنا تأتي الذاكرة الافتراضية لتفسد كل شيء

تستخدم أجهزة الكمبيوتر الحديثة نظامًا يسمى الذاكرة الظاهرية. بدلاً من تخصيص عناوين الذاكرة الفعلية للعمليات ، يتم استخدام عناوين الذاكرة الظاهرية. كل عملية لها مساحة عنوان الذاكرة الظاهرية الخاصة بها. هذا له فائدتان. أولاً ، يوفر فصلًا سهلاً بين الذاكرة التي تنتمي إلى عملية واحدة والذاكرة التي تنتمي إلى عملية أخرى. يساعد هذا في منع الهجمات حيث تقوم البرامج الضارة بقراءة البيانات من ذاكرة البرامج الأخرى ، ومن المحتمل أن تصل إلى المعلومات الحساسة. كما أنه يخفي بنية الذاكرة المادية من العملية. يسمح ذلك لوحدة المعالجة المركزية بنقل أجزاء صغيرة من الذاكرة نادرًا ما تستخدم إلى ملف ترحيل على وحدة التخزين ، دون الحاجة بالضرورة إلى فكه من ذاكرة الوصول العشوائي الافتراضية. يسمح هذا للكمبيوتر بإدارة السيناريوهات التي تتطلب مزيدًا من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) أكثر من الموجودة فعليًا. بدون ذاكرة افتراضية ،

لسوء الحظ ، إذا كنت تستخدم عناوين الذاكرة الظاهرية ، فإن الكمبيوتر يحتاج بالفعل إلى ترجمة عناوين الذاكرة الظاهرية هذه إلى عناوين الذاكرة الفعلية لقراءة البيانات. يتطلب هذا جدولًا لتخزين جميع ترجمات عناوين الذاكرة الظاهرية إلى عناوين الذاكرة الفعلية. حجم هذا يعتمد بشكل مباشر على كمية ذاكرة الوصول العشوائي المستخدمة. إنه صغير بشكل عام إلى حد ما ، على الأقل عند مقارنته بسعة ذاكرة الوصول العشوائي للنظام. لسوء الحظ ، إذا قمت بتخزين الترجمة بين العناوين الافتراضية والعناوين الفعلية في ذاكرة الوصول العشوائي ، فأنت بحاجة إلى تقديم طلبين إلى ذاكرة الوصول العشوائي لكل طلب إلى ذاكرة الوصول العشوائي. أحدهما للعثور على العنوان الفعلي المطلوب طلبه ثم آخر للوصول فعليًا إلى هذا الموقع.

أدخل الترجمة lookaside المخزن المؤقت

حل هذه المشكلة هو تخزين جدول الترجمة في مكان ما بشكل أسرع. سوف تناسب ذاكرة التخزين المؤقت وحدة المعالجة المركزية الفاتورة بشكل جيد ، على الأقل من منظور السرعة. ومع ذلك ، فإن المشكلة في ذلك هي أن ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية صغيرة جدًا ومستخدمة بالفعل بشكل كبير. لا يقتصر الأمر على عدم احتواء الجدول في ذاكرة التخزين المؤقت فحسب ، بل يؤدي القيام بذلك إلى تعطيل استخدامه المحدد للأداء بالفعل.

بالطبع ، إذا كان مبدأ ذاكرة التخزين المؤقت يعمل بالفعل للوصول إلى الذاكرة ، فلماذا لا تكرره لجدول الترجمة؟ وهذا هو بالضبط ما هو Translation Lookaside Buffer ، أو TLB. إنها ذاكرة تخزين مؤقت عالية السرعة لترجمات العناوين الحديثة. إنها ليست كبيرة بما يكفي لتخزين الطاولة بأكملها ، لكن حجمها الصغير يعني أنها يمكن أن تستجيب بسرعة كبيرة ، خلال دورة ساعة واحدة.

يذهب أي طلب ذاكرة عبر TLB. إذا كانت هناك نتيجة TLB ، فيمكنها توفير عنوان الذاكرة الفعلية للطلب الفعلي ، وعادةً ما تضيف دورة واحدة من زمن الانتقال. إذا كان هناك خطأ TLB ، فيجب إجراء البحث من الذاكرة الرئيسية. هناك عقوبة أداء صغيرة لفقد TLB حوالي 5 دورات ، وهي خسارة أكثر من خسوفها بسبب زمن الوصول إلى الذاكرة. بمجرد استرداد ترجمة العنوان من ذاكرة الوصول العشوائي للنظام ، يتم دفعها إلى TLB ثم يتم تكرار الطلب بضربة TLB فورية.

ملاحظة: هناك مخططات مختلفة لإخلاء TLB. قد يستخدم البعض مخطط First In أو First Out أو FIFO. قد يستخدم البعض الآخر مخطط أقل استخدامًا أو مخطط LFU.

في الحالة النادرة التي لا يوجد فيها إدخال في جدول ترجمة العنوان ، يحدث خطأ في الصفحة ، لأن البيانات المطلوبة ليست في ذاكرة الوصول العشوائي. يجب على نظام التشغيل بعد ذلك معالجة الخطأ ونقل البيانات من التخزين إلى ذاكرة الوصول العشوائي قبل متابعة الطلب.

خاتمة

يعد Translation Lookaside Buffer ، أو TLB ، ذاكرة تخزين مؤقتًا عالية السرعة لوحدة المعالجة المركزية مخصصة للتخزين المؤقت لترجمات العناوين الحديثة من ملف الصفحة في ذاكرة الوصول العشوائي للنظام. هذا ضروري لأن أنظمة الذاكرة الافتراضية ، كما هو مطبق في جميع أجهزة الكمبيوتر الحديثة ، تتطلب طلبين إلى ذاكرة الوصول العشوائي لكل طلب إلى ذاكرة الوصول العشوائي. أحدهما لترجمة عنوان الذاكرة الظاهرية إلى عنوان ذاكرة فعلي والآخر للوصول إلى العنوان الفعلي. من خلال تخزين الترجمات الحديثة مؤقتًا ، يمكن تقليل وقت استجابة الذاكرة بشكل كبير بالنسبة إلى نتائج TLB.

يجب توخي الحذر للتأكد من أن الترجمات المخزنة مؤقتًا ذات صلة بالعملية النشطة حاليًا. نظرًا لأن لكل عملية مساحة عنوان ظاهري مختلفة ، فلا يمكن إعادة استخدامها. عدم تقييد هذا بشكل صارم كان السبب وراء ضعف الانهيار.