虚拟地址和物理地址有哪些字段？答案

【问题标题】：What fields are there in virtual and physical addresses?虚拟地址和物理地址有哪些字段？
【发布时间】：2021-01-17 20:21:29
【问题描述】：

在学习虚拟内存概念时，我了解到虚拟地址（由处理器生成以访问内存位置）包含页码和页偏移量。我们使用页表来获取这个页码对应的物理地址（本质上是帧号）。

现在，如果这些地址（物理/虚拟）以页/帧的形式运行，处理器如何访问以块/线为单位的高速缓存？

另外，如果虚拟地址只包含页码和页偏移量，那么用于检查缓存集（由索引/集位指定）是否包含所需数据的标记位来自哪里？

【问题讨论】：

同一个地址的不同用途可能会以不同的方式分解它。如果您坚持将其视为具有固定字段的 C 数据结构，请将其视为多个不同结构的 union {}。
@PeterCordes 你能解释一下如何使用相同的位来访问两种不同的寻址方案吗？这两种地址的重叠到底在哪里？类型1：PageNumber + PageOffset 类型2：Tag + Set/Index + Offset
Virtually indexed physically tagged cache Synonym 展示了一个系统以 2 种不同方式分解地址的示例，用于分页（页码/页偏移）和缓存（标记/索引/偏移）
或者一般来说对于缓存，Cache Addressing: Length of Index, Block offset, Byte offset & Tag?。 How to compute cache bit widths for tags, indices and offsets in a set-associative cache and TLB 也有分解和翻译虚拟地址的图表。
@PeterCordes 假设缓存和 RAM 之间的数据传输以块为单位，而 RAM 和磁盘之间的传输以页为单位，是否安全？再问一个问题，当 CPU 发出内存访问请求时，它试图操作的数据单元是什么？字节/字或块或页？我假设它只是试图访问一个字节/单词。

标签： caching memory-management cpu-architecture memory-address virtual-memory

【解决方案1】：

我想出了这个问题的答案。

可以使用/解释相同的地址来访问两种不同的寻址方案。（感谢@PeterCordes 指出这一点）
- 方案 1（访问 TLB）：PageNumber + PageOffset
- 方案2（访问缓存）：Tag + Set/Index + Offset
通常在 VIPT 缓存中，页码来自高位 TAG 位，页偏移量来自低位 TAG 位以及 SET 和 OFFSET 位。为了防止混叠（多个虚拟地址映射到相同的物理地址），SET/INDEX 位完全来自页面偏移，这一点很重要。此限制限制了缓存的大小。

【讨论】：

在大多数现代系统中，L1d 缓存索引和偏移位仅来自页面偏移量，从而允许 VIPT 速度以及对 PIPT 别名的免疫。（您可以拥有使用虚拟标签的缓存，但现在这种情况很少见，因为它们通常必须在上下文切换时刷新。）How does the VIPT to PIPT conversion work on L1->L2 eviction
但也可以有一个 VIPT 缓存，其中索引包含页码中的一些位，如Virtually indexed physically tagged cache Synonym 中操作系统可能使用页面着色来避免同义词。在这样的系统中，缓存标记包含也是索引一部分的位（即整个页号）也是正常的，因此将脏行回写到 L2 可以生成完整的物理地址，而无需TLB 翻译来自虚拟地址的索引位。（见之前评论中的链接）
所以说页偏移量必须包含任何标签位，或者说页码不能包含任何索引位是不准确的。尤其是当我们谈论 PIPT 缓存（就像 L2 和其他外部缓存的正常情况一样）时，“页面”的整个概念不再那么重要了。此外，即使 L1d 标签通常也是物理地址（VIPT 缓存），所以说标签来自与页码相同的地址位是不准确的。页码通常意味着虚拟，但如果标签是物理的，那么它们是页面 frame 编号的（一部分）。
通常在 VIPT 缓存中，页码来自高阶 TAG 位 - 不，这与我所说的相反。物理标记意味着标签是物理地址。实际的标记位来自将页码转换为页框号的结果。（如果缓存很小，还有一些不需要翻译的页偏移位。）只有在虚拟标记的缓存中，任何标记都来自虚拟页号。
Physically tagged 意味着标签是物理地址。 - 是的，但要明白，虚拟地址只能包含页面信息，不能包含框架信息。物理标记意味着标记来自物理地址，并且此物理地址（帧号等）来自 TLB 查找之后。当我说 '页码来自高阶 TAG 位' 时，我的意思是虚拟地址中的 TAG 位。本质上，虚拟地址的高位 TAG 位包含 PAGE 编号，物理地址中的 TAG 位包含 FRAME 编号。