TLB

• MMU(Memory Management Unit) 내부의 HW
• 가상 - 실제 주소 변환에 사용되는 하드웨어 캐시
  • Page Table을 참조하지 않고도 빠른 속도로 번역 수행

Paging Hardware with TLB

1. 6비트의 Logical Address 생성
   ⠀⠀
2. Offset은 그대로, VPN은 TLB에서 주소 변환
   ⠀⠀
3. TLB에 해당 VPN 존재 시
   → TLB Hit → Page Frame Number 반환
   ⠀⠀
   TLB에 해당 VPN 존재하지 않을 시
   → TLB Miss → Page Table로 이동 → VPN에 해당하는 실제 PFN 반환

TLB Entry

• TLB는 Fully-Associative 방식으로 관리된다.
  • TLB는 일반적으로 32, 64, 128개의 Entry를 갖는다.
  • MMU는 전체 TLB를 병렬로 검색하여 원하는 주소 변환을 찾는다.
  • Other Bits: Valid Bits, Protection Bits, Address-Space Identifier, Dirty Bit

Example: Accessing an Array

• TLB의 성능을 증가시키는 방법
  → 공간적 지역성 (Spatial Locality) 사용

• 16개의 Virtual Page, 16바이트의 Page → VPN 4비트, Offset 4비트
  ⠀⠀
• TLB Hit Rate: 70%
  • a[0] : TLB Miss (TLB → VPN 6로 저장)
  • a[1] : TLB Hit
  • a[2] : TLB Hit
  • a[3] : TLB Miss (TLB → VPN 7로 저장)
  • a[4] : TLB Hit
  • a[5] : TLB Hit
  • a[6] : TLB Hit
  • a[7] : TLB Miss (TLB → VPN 8로 저장)
  • a[8] : TLB Hit
  • a[9] : TLB Hit

Effective Access Time (EAT)

• TLB Hit Ratio α: 80%
• TLB Search: 20ns
• Memory Access: 100ns
• EAT = 0.80 (TLB Hit) x (20 (TLB Search) + 100 (Memory Access)) + 0.20 (TLB Miss) x (20 (TLB Search) + 100 (Memory Access) + 100 (Memory Access)) = 140ns

Problem 1: Context Switching

• Process A의 10번 Page 요청 → TLB Miss → Table에 TLB Entry 삽입

• Context Switch → Process B의 10번 Page 요청 → TLB Miss → Table에 TLB Entry 삽입

→ TLB Table 내에서 어떤 프로세스의 Entry인지 구분 불가

Solution 1

• Context Switching이 발생할 때 Valid 필드의 모든 값을 0으로 변경
  → 새 프로세스가 실행될 때 TLB Miss 발생
  → 과도한 비용 소모

Solution 2

• TLB Table 내에 새로운 필드(Address Space Identifier, ASID)를 추가하여 프로세스 구분

Page Sharing

• ASID를 추가하면서 Code 공유가 가능해진다.
  • Process 1은 Process 2와 101번 Physical Page를 공유한다.
  • Process 1 주소 공간 10번째에 해당 페이지가 존재한다.
  • Process 2 주소 공간 50번째에 해당 페이지가 존재한다.

→ 페이지 공유를 통해 실제 메모리 공간을 절약할 수 있다.

TLB Replacement Policy

⠀⠀

• TLB Table이 가득 찬 경우에 새로운 TLB Entry를 삽입할 때, 원래 있던 것을 빼야 한다.

  • 목적은 TLB Miss를 줄이는 것

• 일반적인 접근법

  • LRU (Least-Recently-Used)
    • LRU는 시간적 지역성 (Temporal Locality)를 이용하는 방법
    • 고성능 고비용

  

  • Random Policy
    • 말 그대로 아무거나 빼는 방법
    • 저성능 저비용