번역 색인 버퍼란 무엇입니까?

CPU는 엄청나게 복잡한 짐승입니다. 우리가 보는 성능 수준을 달성하기 위해 모두 완벽하게 조화롭게 작동해야 하는 수많은 상호 연결 부품이 있습니다. 메모리 성능은 최신 CPU 성능의 핵심 요소, 특히 제한 요소입니다.

메모리 속도가 중요한 이유는 무엇입니까?

CPU는 믿을 수 없을 정도로 빠르며 적절하게 냉각되면 최신 세대는 5.7GHz에서 실행됩니다. 이를 통해 매초 57억 개의 작업을 완료할 수 있습니다. 이러한 작업 중 다수는 메모리에 저장해야 하는 일부 유형의 데이터에 대해 작업을 수행합니다.

RAM으로 알려진 메인 시스템 메모리도 매우 빠릅니다. 불행히도 CPU 이외의 다른 것과 비교할 때 매우 빠릅니다. 최신 하이엔드 RAM의 절대 대기 시간은 60나노초 정도입니다. 불행히도 이는 대략 342 CPU 주기로 변환됩니다. 메모리 액세스 속도를 높이기 위해 데이터를 동적으로 캐시하는 CPU 캐시가 사용됩니다. 이 캐시는 CPU 다이 자체에 있으며 DRAM 셀이 아닌 SRAM 셀을 사용하므로 훨씬 빠릅니다. 불행히도 CPU 캐시는 시스템 RAM보다 훨씬 작으며 일반적으로 총 100MB도 되지 않습니다. 그래도 작은 크기에도 불구하고 계층화된 CPU 캐시 시스템은 시스템 성능을 크게 향상시킵니다.

여기 모든 것을 엉망으로 만드는 가상 메모리가 있습니다.

최신 컴퓨터는 가상 메모리라는 시스템을 사용합니다. 프로세스에 물리적 메모리 주소를 할당하는 대신 가상 메모리 주소가 사용됩니다. 각 프로세스에는 자체 가상 메모리 주소 공간이 있습니다. 여기에는 두 가지 이점이 있습니다. 첫째, 한 프로세스에 속하는 메모리와 다른 프로세스에 속하는 메모리를 쉽게 분리할 수 있습니다. 이렇게 하면 악성 소프트웨어가 다른 소프트웨어의 메모리에서 데이터를 읽어 잠재적으로 중요한 정보에 액세스하는 공격을 방지할 수 있습니다. 또한 프로세스에서 물리적 메모리 구조를 숨깁니다. 이를 통해 CPU는 거의 사용되지 않는 메모리 비트를 가상 RAM에서 마운트 해제하지 않고도 저장소의 페이징 파일로 이동할 수 있습니다. 이를 통해 컴퓨터는 물리적으로 존재하는 것보다 더 많은 RAM이 필요한 시나리오를 부드럽게 관리할 수 있습니다. 가상 메모리가 없으면

안타깝게도 가상 메모리 주소를 사용하는 경우 컴퓨터는 데이터를 읽기 위해 가상 메모리 주소를 물리적 메모리 주소로 실제로 변환해야 합니다. 이를 위해서는 가상 메모리 주소의 모든 변환을 물리적 메모리 주소로 저장하는 테이블이 필요합니다. 이것의 크기는 사용 중인 RAM의 양에 직접적으로 의존합니다. 적어도 시스템 RAM의 용량과 비교할 때 일반적으로 상당히 작습니다. 안타깝게도 가상 주소와 실제 주소 간의 변환을 RAM에 저장하면 RAM에 대한 모든 요청에 ​​대해 RAM에 두 번 요청해야 합니다. 하나는 요청할 물리적 주소를 찾은 다음 다른 하나는 해당 위치에 실제로 액세스하는 것입니다.

변환 색인 버퍼 입력

이 문제에 대한 해결책은 번역 테이블을 어딘가에 더 빠르게 저장하는 것입니다. CPU 캐시는 적어도 속도 관점에서 볼 때 청구서에 잘 맞을 것입니다. 그러나 문제는 CPU 캐시가 작고 이미 많이 사용되고 있다는 것입니다. 테이블이 캐시에 맞지 않을 뿐만 아니라 그렇게 하면 이미 성능을 정의하는 사용이 중단됩니다.

물론 캐시의 원리가 이미 메모리 액세스에 대해 작동한다면 변환 테이블에 대해 반복하지 않는 이유는 무엇입니까? 이것이 바로 TLB(Translation Lookaside Buffer)입니다. 최근 주소 변환을 위한 고속 캐시입니다. 전체 테이블을 저장할 만큼 크지는 않지만 작은 크기는 단일 클록 주기 내에서 매우 빠르게 응답할 수 있음을 의미합니다.

모든 메모리 요청은 TLB를 통해 진행됩니다. TLB 적중이 있는 경우 실제 요청에 대한 물리적 메모리 주소를 제공할 수 있으며 일반적으로 대기 시간의 단일 주기를 추가합니다. TLB 누락이 있는 경우 메인 메모리에서 조회를 수행해야 합니다. 약 5주기의 TLB 미스에 대한 약간의 성능 저하가 있으며 이는 메모리 액세스 대기 시간에 의해 가려지는 것보다 더 큰 손실입니다. 주소 변환이 시스템 RAM에서 검색되면 TLB로 푸시되고 즉시 TLB 적중으로 요청이 반복됩니다.

참고: TLB 제거에는 다양한 체계가 있습니다. 일부는 First In, First Out 또는 FIFO 체계를 사용할 수 있습니다. 다른 사람들은 LFU 또는 LFU 체계를 사용할 수 있습니다.

드물게 주소 변환 테이블에 항목이 없는 경우 요청된 데이터가 RAM에 없기 때문에 페이지 폴트가 발생합니다. 그런 다음 OS는 오류를 처리하고 요청이 계속되기 전에 스토리지에서 RAM으로 데이터를 전송해야 합니다.

결론

TLB(Translation Lookaside Buffer)는 페이지 파일의 최근 주소 변환을 시스템 RAM에 캐싱하는 전용 고속 CPU 캐시입니다. 이는 모든 최신 컴퓨터에 구현된 가상 메모리 시스템이 RAM에 대한 모든 요청에 ​​대해 RAM에 대한 두 개의 요청을 필요로 하기 때문에 필요합니다. 하나는 가상 메모리 주소를 물리적 메모리 주소로 변환하고 다른 하나는 물리적 주소에 실제로 액세스합니다. 최근 번역을 캐싱하면 TLB 히트에 대한 메모리 대기 시간을 크게 줄일 수 있습니다.

캐시된 번역이 현재 활성 프로세스와 관련되도록 주의를 기울여야 합니다. 프로세스마다 가상 주소 공간이 다르기 때문에 재사용할 수 없습니다. Meltdown 취약점의 원인은 엄격히 제한되지 않았습니다.