MMU中TLB的作用：

从虚拟地址到物理地址的转换过程可知：使用一级页表进行地址转换时，每次读/写数据需要访问两次内存，第一次访问一级页表获得物理地址，第二次才是真正的读/写数据；使用两级页表时，每次读/写数据需要访问三次内存，访问两次页表（一级页表和二级页表）获得物理地址，第三次才是真正的读/写数据。

上述的地址转换过程打打降低了CPU的性能，有没有办法改进呢？程序执行过程中，所用到的指令、数据的地址往往集中在一个很小的范围内，其中的地址、数据经常多次使用，这称为程序访问的局部性。由此，通过使用一个高速、容量相对较小的存储器来存储近期用到的页表条目（段/大页/小页/极小页描述符），以避免每次地址转换时都到主存去查找，这样可以大幅度地提高性能。这个存储器用来帮助快速地进行地址转换，称为“转译查找缓存”（TLB）。

当CPU发出一个虚拟地址时，MMU首先访问TLB，如果TLB中含有能转换这个虚拟地址的描述符，则直接利用此描述符进行地址转换和权限检查；否则MMU访问页表找到描述符后再进行地址转换和权限检查，并将这个描述符填入TLB中（如果TLB已满，则利用round-robin算法找到一个条目，然后覆盖它），下次再使用这个虚拟地址时就可以直接使用TLB中的地址描述符了。

Cache和MMU：

按照工作原理来分，cache有physical index physical tagged, virtual index virtual tagged, physical index virtual tagged等几种工作方式。

Physical index physical tagged是一种最容易理解的操作方式，cache针对物理地址进行操作，简单粗暴，而且不会有歧义。但是这种方式的缺陷也很明显，在多进程操作系统中，每个进程拥有自己独立的地址空间，指令和代码都是以虚拟地址的方式存在，cpu发出的memory access的指令都是以虚拟地址的方式发出，这样的话，对于每一个memory access的操作，都要先等待MMU将虚拟地址翻译为物理地址，这是一种串行的方式，效率较低。

Virtual index virtual tagged是纯粹用虚拟地址来寻址，这种方式带来了更多的问题，每一行数据在原有tag的基础上都要将进程标识加上以区分多个进程之间的相同地址，而在处理共享内存时也比较麻烦，共享内存在不同的进程中的虚拟地址不相同，如何同步是个问题。

virtual index physical tagged方式现在使用的比较多，virtual index的含义是当cpu发出一个地址请求之后，低位地址去和cache中的index匹配（因为低位一般都是页内偏移地址，不影响页的选择）， physical tagged是指虚拟地址的高位地址去和mmu中的页表匹配以拿到页的物理地址，这样保证了Cache和MMU并行工作。然后用从mmu中取到的页物理地址作为tag（或者tag的一部分）去和cache line的tag位匹配，这样既保证了同一地址在cache中的唯一性（有个例外，cache alias）又能将mmu和cache并行工作，提高了效率。这种方式带来的唯一问题就是cache alias，当cache alias在cache大小同内存页框大小不一致时，比如说每路cache的大小是8k，而现在较为常用的页框大小是4k，这两个数字说明的问题分别是这样的：
页框大小为4k意味着mmu在划分虚拟空间时是以4k为粒度，每一个4k对齐的内存区域作为内存分配的最小单位，于是就有了这样的结果，虚拟地址和物理地址的低12位是相同的，因为低12位地址是作为其在4k页框内的偏移，不管它的虚拟地址是什么，它在4k页面内的偏移是一定的。

Cache大小为8k，意味着cache index是用依据13位地址来运算的，而如果以虚拟地址来寻址cache，低13位中就包含了一位虚拟地址，所以这种方式称为virtual index。问题出现了，一个物理地址当它被不同进程使用时，由于mmu分页机制仅能保证其低12位相同，那么第13位很有可能是不同的，这样就造成了一个物理地址在cache中有两个副本，可能会造成同步问题。

针对于cache alias问题，目前的方案是由操作系统来保证，对于同一物理地址在不同进程空间的虚拟地址，他们的虚拟地址的差一定是cache大小的整数倍，也就是说他们的第13位一定是相同的。同时已经有些cpu厂商在开发监视模块，试图在硬件层面解决类似的同步问题。

MMU（TLB）与Cache的工作方式