29-TLB

基本上到了这里，保护模式已接近尾声。不过，仍然有一些边角和细节需要你去掌握和理解。前面的文章里，尚有一些遗留的问题，比如页属性，并未介绍完，什么是 G 位，什么是 PWT，什么是 PCD?

在解释这些东西之前，TLB(Translation Lookaside Buffer) 这个东西不讲，对不起这个博客，对不起阅读保护模式的读者。

TLB 由来

中译名为快表。

经过前面大量的学习和实践，你已对 10-10-12 分页和 PAE 分页了如指掌。倘若在 10-10-12 分页模式下，CPU 需要访问一个 int 类型的变量，所做的操作将会是这样：

1. 读取 4 字节的PDE
2. 读取 4 字节的 PTE
3. 读取 4 字节（int 占用4字节）的物理内存

如果在 PAE 分页模式下，是这样：

1. 读取 8 字节 PDPTE
2. 读取 8 字节 PDE
3. 读取 8 字节 PTE
4. 读取 4 字节的物理内存

在 10-10-12 分页模式下，CPU 每次要访问额外的访问 8 字节内存数据才能读取到数据，而在 PAE 分页模式下，需要额外的访问 24 字节内存数据才能读取到数据。

对于 CPU 而言，如此频繁的进行内存访问，这是极其奢侈且不能容忍的事情！—— TLB 由此诞生。

CPU 的设计者基于这样一种设想，倘若可以不经由页目录表和页表，直接就能把线性地址映射成物理地址，这样就不需要额外的去访问内存中的 PDE 和 PTE了。

TLB 结构

为了避免过多不必要的内存访问，CPU 设计者在 CPU 中安排了一个寄存器 TLB. 这个寄存器实际上就是一个大数组，在 CPU 中的数组，它的结构像下面这样。

倘若 CPU 要访问的线性地址就是 0x00401020，CPU就可以立即在 TLB 中查到它对应的物理地址就是 0x50702020。

如果找不到，CPU 就只能老老实实的，去内存中访问 PDE 和 PTE 吧，同时把这个线性地址再写到 TLB 中去保存。如果 TLB 满了怎么办？这时候 LRU 统计信息就起作用了，它会把不经常使用的那一条抹掉，把新值写上。要知道，TLB 的大小是非常小的，因为 CPU 中开辟大空间容量等价是极其昂贵的。

思考一下，如果使用上的表查询线性地址 0x00401234 这个地址，快表能起作用吗？先不看后面的答案，给一下自己的思考。

当然能起作用，因为 0x00401020 和 0x00401234 本就在同一个物理页。实际上在快表中，真正起作用的就只是线性地址的前20位，后面的12位偏移没啥用。

TLB 相关细节

1. TLB 中的属性，是 PDPTE(倘若有的话)/PDE/PTE 三者属性AND操作的结果。
2. 不同的 CPU，TLB 大小是不一样的。
3. 如果 CR3 被重写，TLB 中的内容立刻失效！

！！！ 第 3 条尤其注意！！！

我们都知道，32 位系统中一个进程拥有 4GB 的线性地址空间。在低 2GB 中，不同进程对应的物理页是不同的。而在 高 2GB 中，不同进程对应的物理页**几乎**是相同的。

而进程的切换，意味着 CR3 的切换，CR3 的切换导致 TLB 条目失效，对于几乎完全共享的高 2GB 地址空间来说，这种失效将造成浪费，重建 TLB 的工作将变得的重复而乏味。如果能指定某些条目不失效，要怎么办？

页属性 G 位

相信你对 G 位已经不陌生了，如果你还记得《不提权读取高2G内存》，当时在修改页属性的时候，留了一个小小的细节，如果属性 G 位不清 0 的话，很有可能导致实验失败。

而 G 位的作用，就是让 TLB 中含 G = 1 的条目不被刷新。

在那个实验里，如果你 G 位不更改，就算你更改了 U/S 属性位也没什么效果，因为 TLB 中的条目的 U/S 属性没有被改变，你的实验仍然会失败。

指令 invlpg

CPU 提供了​​invplg​​指令供我们强制刷新 TLB 某个具体的条目，而且可以无视 G 属性位。这个指令的格式如下：

invlpg [线性地址]

比如你可以执行 ​​invlpg [0x00401020]​​强制刷新该线性地址对应的条目。

TLB 种类

在 CPU 中，缓存指令的地址和数据的地址使用的 TLB 也是不同的。对于大页和小页，也使用不同的 TLB。这部分了解即可。

第一组：缓存一般页表（4K字节页面）的指令页表缓存（Instruction-TLB）；
第二组：缓存一般页表（4K字节页面）的数据页表缓存（Data-TLB）；
第三组：缓存大尺寸页表（2M/4M字节页面）的指令页表缓存（Instruction-TLB）；
第四组：缓存大尺寸页表（2M/4M字节页面）的数据页表缓存（Data-TLB）

总结

本篇需要你掌握的 TLB 的由来，为什么需要它。同时结合实验《不提权读取高2G内存》，理解 G 位的含义。动手能力强的同学，可以想想，如何去证明 TLB 这个东西的存在呢？