MIPS虚拟地址和物理地址映射关系图

做存储器地址转换的原因

1. 隐藏和保护，因为软件只能看到虚拟地址，看不到真实的物理地址。运行在用户特权级的程序，最终被映射到的地址位于kuseg的范围内
2. 给程序分配连续的存储空间。因为连续的地址空间可以使得程度具有更快的运行速度，虽然在物理地址中映射的空间不一定是连续的，但是在虚拟地址中是连续的地址空间。
3. 扩大地址范围。有些CPU不能直接访问他们物理存储器的全部范围，如果想访问更大的范围，需要使用MMU
4. 使存储器映射适应你的程序。在一个大的操作系统里，有可能运行者一个程度的多个拷贝，此时使用同样的程度地址要容易得多。
5. 按需调页。操作系统只有在真正用到这块内存资源时才会分配。
6. 重定位。MMU允许程序在物理内存的任意地址上运行

TLB/MMU的硬件及其作用

TLB可以将虚拟地址转换为物理地址，实质上是一块cache，因为cache面积较大，较为昂贵，所以不能支持太多的表项。在TLB的转换过程中每一个表项通常对应于一个4KB大小的页。这就使TLB可以用有限的表项映射更大范围的物理地址。
每一个表项中含有一个虚拟地址（VPN）以及物理地址（PFN），当程度给出一个虚拟地址后，将会在TLB表项中寻找VPN与其对应，如果对应则给出PFN，如果没有找到对应的VPN则会引起TLB重填异常。
上文说在TLB的转换过程中每一个表项通常对应于一个4KB大小的页，这就使得低12位的地址不参与查找，同时在MIPS CPU中采用的是一个TLB表项对应两个相邻的虚拟页面，这使得倒数第13位也不参与查找，也就是低13位不参与查找过程。

如上图所示，显示的是一个TLB表项所需的所有寄存器部分

1. EntryHi寄存器存有VPN2以及ASID
2. PageMask可以创建映射大于4KB大小的页（与EntryHi一起构成了输入域）
3. EntryLo0-1存有PFN以及四个标志位G,V,D,C（TLB的输出域）
   
   其中VPN2指的就是虚拟地址,0-13位不参与查找，对于超过CPU使用的高位区域要全部置0或1，在64位的MIPS中，因为有R值的存在，要和R值匹配。仅使用32位指令集时，因为符号位扩展的，这些情况不必考虑。在低于VPN2的位有部分0区域的存在，此部分用于小范围的页地址的扩展，把部分位转换为需查找虚拟地址范围，比如页大小为1KB，需向下延伸两位。
   ASID指的是地址空间标识符，如果使用的多个地址空间，操作系统将会维护此区域。如果输出域的G位被置1，则意味着屏蔽了ASID，表示在全局查找。ASID是一个8位的域，允许同时映射256个不同的地址空间，如果用光了可以挑选一个扔出TLB的进程。
   PageMask寄存器允许你通过设置TLB域来映射更大的页，通常为4KB-16MB之间，并且每次以4倍递增
   
   如上图所示为EntryLo0-1的寄存器域结构
   PFN即物理地址，和VPN相对应，图中所示32位MIPS中可支持2的38次方的字节地址范围（26+12）
   C寄存器域指的是此地址是否选择高速缓存的工作方式（嵌入式）
   D位指的是写允许为，1表示允许写入
   V位指的是该如果该位为0，则表示对与该项匹配的地址的任何使用都将导致异常
   G位指的是是否屏蔽ASID的值，如果置1则表示将全局搜索，忽略ASID的匹配

Index寄存器用于选择TLB的表项
Random用于实现随机替换策略
Wired寄存器，在TLB从0开始向上，凡是索引值小雨下限值的表项不受随机替换的影响，Wired允许你指定这个下限值，可将这些槽用于永久转换地址项

Context寄存器能够帮助32位虚拟地址空间的TLB重填过程

TLB/MMU控制指令

tlbr 在索引处读出TLB表项
tlbwi 在索引处写入TLB表项
tlbwr 重填过程中采用此命令写入新的TLB表项
tlbp 寻找匹配的TLB表项，并将该项的索引保存到index寄存器

页表和重填机制

TLB未命中时，采用异常处理代码如下

标签：表项,物理地址,虚拟地址,TLB,地址,内存,寄存器,MIPS
来源： https://blog.csdn.net/qq_42856481/article/details/120225667