【计组&OS】访存过程以及存储层次化结构

首先捋清楚 存储体系的层次化结构  我把知识整理成了这样的一张图

那么我们就能很清晰的在这张图上面理解到CPU在访问存储数据的过程

1. Cache 访问：
   • CPU尝试从Cache中获取所需的数据。
   • 如果Cache命中（Cache Hit），则直接从Cache中读取数据，完成访存操作。
2. TLB 查询：
   • 如果Cache未命中（Cache Miss），CPU接下来会检查TLB（Translation Lookaside Buffer）。
   • TLB是一种特殊的存储器，用于快速地址转换，存储最近访问的页表条目。
   • 如果TLB命中（TLB Hit），则使用TLB中的信息完成地址转换。
3. 页表查询：
   • 如果TLB未命中（TLB Miss），CPU将访问页表进行地址转换。
   • 页表存储逻辑地址到物理地址的映射关系。
   • 操作系统维护页表，其中包含有效位，指示对应的页面是否在物理内存中。
4. 有效位检查：
   • 在页表中找到对应的页表项后，CPU检查该项的有效位。
   • 如果有效位为1，表示数据在主存中，CPU可以继续访问主存以获取数据。
5. 缺页异常处理：
   • 如果有效位为0，表示数据不在主存中，即发生了缺页异常（Page Fault）。
   • 缺页异常处理程序被调用，操作系统开始处理这一异常。
6. 辅存访问：
   • 操作系统确定辅存中数据的位置，通常通过页面置换算法的数据结构来选择一个页面进行置换。
7. 数据加载与页表更新：
   • 操作系统从辅存中加载缺失的数据到主存。
   • 加载完成后，操作系统更新页表，将新的物理地址映射到原来的逻辑地址。
8. 重新尝试访问：
   • 页表更新后，操作系统会重新执行导致缺页异常的指令。
   • CPU再次尝试访问数据，这次数据应该已经在主存中，可以成功访问。
9. 继续执行程序：
   • 一旦数据被加载到主存并且页表被更新，CPU可以继续执行程序，就像没有发生缺页异常一样。