原文地址：https://blog.csdn.net/jay14/article/details/54074553
硬件高速缓存和TLB原理
基本概念
硬件高速缓存的引入是为了缩小CPU和RAM之间的速度不匹配，高速缓存单元插在分页单元和主内存之间，它包含一个硬件高速缓存内存和一个高速缓存控制器。高速缓存内存存放内存中真正的行。高速缓存控制器存放一个表项数组，每个表项对应高速缓存内存中的一个行，如下图：
除了通用硬件高速缓存，80x86处理器还包含了另一个称为转换后援缓冲器或TLB(Translation Lookaside Buffer)的高速缓存用于加快线性地址的转换。TLB是一个小的、虚拟寻址的缓存，其中的每一行都保存着一个由单个页表条目组成的块。
原理
下面通过一个具体的地址翻译示例来说明缓存和TLB的原理（注意：这是简化版的示例，实际过程可能复杂些，不过原理相同），地址翻译基于以下设定：
- 存储器是按字节寻址的
- 存储器访问是针对1字节的字的
- 虚拟地址（线性地址）是14位长的
- 物理地址是12位长的
- 页面大小是64字节
- TLB是四路组相连的，总共有16个条目
- L1 Cache是物理寻址、直接映射的，行大小为4字节，总共有16个组
下面给出小存储系统的一个快照，包括TLB、页表的一部分和L1高速缓存
虚拟地址（TLBI为索引）：
TLB：四组，16个条目，四路组相连（PPN为物理页号）：
页表：只展示前16个页表条目（PTE）
物理地址（CO为块偏移）：
高速缓存：16个组，4字节的块，直接映射
基于以上的设定，我们来看下当CPU执行一条读地址0x3d4（虚拟地址）处字节的加载指令时发生了什么：
- 从0x3d4中取出如下几个字段：
- TLBT: 0x03
- TLBI: 0x03
- VPN: 0x0F
- VPO: 0x14
- 首先，MMU从虚拟地址中取出以上字段，然后检查TLB，看它是否因为前面的某个存储器的引用而缓存了PTE0x0F的一个拷贝。TLB从VPN中抽取出TLB索引（TLBI:0x03）和TLB标记（TLBT:0x03），由上面的TLB表格可知，组0x3的第二个条目中有效匹配，所以命中，将缓存的PPN（0x0D）返回给MMU。
- 将上述的PPN（0x0D）和来自虚拟地址的VPO（0x14）连接起来，得到物理地址（0x354）。
- 接下来，MMU发送物理地址给缓存，缓存从物理地址中取出缓存偏移CO（0x0）、缓存组索引CI（0x5）以及缓存标记CT（0x0D）。
- 从上面高速缓存表格中可得，组0x5中的标记与CT相匹配，所以缓存检测到一个命中，读出在偏移量CO处的数据字节（0x36），并将它返回给MMU，随后MMU将它传递回CPU。
以上只分析命中的情况。