408考研逐题详解：2010年第17题——内存的地址转换和数据访问

2010年第17题

下列命中组合情况中，一次访存过程中不可能发生的是（ ）

A. TLB 未命中，Cache 未命中，Page 未命中

B. TLB 未命中，Cache 命中，Page 命中

C. TLB 命中，Cache 未命中，Page 命中

D. TLB 命中，Cache 命中，Page 未命中

解析

本题考查计算机组成原理中主存管理相关的知识点，特别是虚拟内存系统中的地址转换和数据访问流程。题目要求判断在 TLB（Translation Lookaside Buffer）、Cache（高速缓存）和 Page（页面）的命中组合中，哪种情况在一次访存过程中不可能发生。核心知识点包括 TLB 的作用、Cache 的作用、Page 的状态及其相互关系。

1. TLB（Translation Lookaside Buffer，准换检测缓冲区，即快表）：
   • TLB 是 CPU 主存管理单元（MMU）的一部分，用于缓存逻辑地址到物理地址的转换结果（即页表条目）。它是一个高速硬件缓存，旨在减少访问主存中页表的延迟。
     • TLB命中：逻辑地址的转换在 TLB 中找到，无需访问主存中的页表，直接获得物理地址。
     • TLB未命中：逻辑地址的转换结果不在 TLB 中，需要访问主存中的页表获取物理地址。如果页表不在 Cache 中，再访问主存。
   • 关键特性：TLB 只存储有效的页表条目，这些条目对应于已驻留在主存中的页面（即 Page 命中的页面）。如果页面不在主存中（Page 未命中），其页表条目通常无效或不存在于 TLB 中，因此 TLB 不可能命中一个未驻留的页面。
2. Cache（高速缓存）：
   • Cache 是 CPU 与主存之间的高速数据缓存，用于存储最近访问的数据或指令，以减少访问主存的延迟。它使用物理地址进行访问。
     • Cache 命中：所需数据在 Cache 中找到，无需访问主存。
     • Cache未命中：所需数据不在 Cache 中，需要访问主存获取数据。如果主存中没有数据（例如 Page 未命中），则无法从主存加载数据。
   • 关键特性：Cache 访问依赖于物理地址（由 TLB 或页表提供）。数据能否在 Cache 中命中取决于该数据是否已被缓存，但前提是页面必须驻留在主存中（Page 命中），否则数据无法从主存加载。
3. Page（页面）：
   • 在虚拟内存系统中，物理内存（主存）被划分为固定大小的页面。Page 状态指示页面是否驻留在主存中。
     • Page 命中：所需页面已加载到主存中，页表条目有效，可以直接访问主存数据。
     • Page 未命中（页面错误）：所需页面不在主存中（可能在磁盘上），页表条目无效或标记为“不在主存”。此时会触发页面错误异常，操作系统需从磁盘加载页面到主存，然后重新启动访存指令。
   • 关键特性：Page 状态直接影响 TLB 和 Cache：
     • 如果 Page 未命中，页表条目无效，TLB 不可能包含该页面的有效条目（因此 TLB 未命中）。
     • 如果 Page 未命中，数据无法从主存获取，因此 Cache 不可能命中该数据（因为 Cache 数据来源于主存）。
4. 一次访存过程的的两个阶段：CPU 生成逻辑地址后，
   • 阶段1：地址翻译（通过 MMU），先查 TLB：若命中，获得物理地址；若未命中，访问主存中的页表获取物理地址（此过程可能涉及 Cache 访问）。
   • 阶段2：数据访问（使用物理地址），查 Cache：若命中，返回数据；若未命中，访问主存获取数据。
   • Page 状态的影响：
     • 如果 Page 未命中（在地址翻译阶段发现），会触发页面错误，中断访存流程，数据访问无法进行。
     • Page 命中是地址翻译成功的前提：只有 Page 命中，页表条目才有效，TLB 才能存储或提供物理地址。
   • 内在关系：
     • TLB 和 Page 的关系：TLB 命中以 Page 命中为前提。因为 TLB 缓存的是有效页表条目（对应驻留页面），如果 Page 未命中，TLB 不可能命中。
     • Cache 和 Page 的关系：Cache 命中以 Page 命中为前提。因为 Cache 数据来自主存，如果 Page 未命中，数据不在主存，Cache 无法命中。
     • TLB 和 Cache 的关系：TLB 提供物理地址，用于 Cache 访问，但两者独立（TLB 命中不影响 Cache 是否命中，反之亦然）。

本题要求找出“一次访存过程中不可能发生”的组合。结合以上知识点，逐一分析每个选项：

• 选项 A：TLB 未命中，Cache 未命中，Page 未命中

  TLB 未命中时，需访问页表；Page 未命中表示页面不在主存，触发页面错误；Cache 未命中是合理的，因为数据不在主存。这符合访存流程：地址翻译失败（Page 未命中）导致数据访问无法进行。所以，可能发生。例如，访问一个新页面时，TLB 无缓存，页表显示页面不在主存。

• 选项 B：TLB未命中，Cache命中，Page命中

  TLB 未命中时，需访问页表；Page 命中表示页表访问成功，获得物理地址；Cache 命中表示数据在 Cache 中找到。这符合流程：TLB 未命中但页表在主存中（可能页表条目被缓存），然后数据在 Cache 中。所以，可能发生。此选项说明 TLB 和 Cache 间的相对独立，TLB 未命中不影响 Cache 命中，只要 Page 命中。

• 选项 C：TLB 命中，Cache 未命中，Page 命中

  TLB 命中直接获得物理地址；Page 命中是隐含的（因为 TLB 条目有效）；Cache 未命中表示数据不在 Cache，需访问主存。这符合流程：地址翻译成功，但数据未缓存。所以，可能发生。例如，TLB 有地址转换结果，但数据是首次访问或已被淘汰出 Cache。

• 选项 D：TLB 命中，Cache 命中，Page 未命中

  TLB 命中要求 Page 必须命中（TLB 只存储有效条目，对应驻留页面）；但 Page 未命中表示页面不在主存，产生了矛盾。此外，Page 未命中时，数据不在主存，Cache 不可能命中。所以，不可能发生。因为：

  • TLB 命中的前提是页面驻留（Page 命中），Page 未命中时 TLB 不可能命中。
  • Page 未命中时，数据无法从主存加载，Cache 不可能包含该数据（Cache 命中要求数据在主存中）。

本题答案：D