简短
本文是我读ARM手册时根据自己的理解做的一些记录
虚拟地址（VA）到物理地址（PA）的转换是由 MMU（内存管理单元） 和 页表机制完成的。具体过程如何我举例分享一下我的理解
ARM64 虚拟地址结构（假设 4KB 页大小）
介绍转换过程之前先来介绍虚拟地址构成
虚拟地址一般使用四级页表结构，通常是 48 位，分段如下：
| VA[47:39] | VA[38:30] | VA[29:21] | VA[20:12] | VA[11:0] |
|---|---|---|---|---|
| PGD（Page Global Directory）一级页表 | PUD（Page Upper Directory）二级页表 | PMD（Page Middle Directory）：三级页表 | PTE（Page Table Entry）：四级页表/物理页 | Offset 页内偏移/页内具体地址 |
比如地址 0x01234567
VA[47:39] = 0x0 → PGD 索引
VA[38:30] = 0x0 → PUD 索引
VA[29:21] = 0x91 → PMD 索引
VA[20:12] = 0x1A → PTE 索引
VA[11:0] = 0x567 → 页内偏移
MMU（Memory Management Unit）介绍
- MMU是处理器中的一个硬件模块，主要负责：
- 虚拟地址 → 物理地址转换
- 访问权限检查（如只读、用户/内核态）
- 缓存控制（决定哪些地址可缓存）
- 触发异常（如页错误、权限错误）
本文其实就是在讲它的一部分工作过程。
TLB（Translation Lookaside Buffer）介绍
介绍转换过程之前先来介绍TLB，TLB是一个硬件缓存，缓存最近的 VA→PA 映射，用来加速地址转换，物理上在 MMU 内部或旁边。
TLB 存储的内容包括
- 键（Key）：虚拟页号（VPN）即虚拟地址高位
- 值（Value）：物理页帧地址（PPN）+ 权限等信息
转换过程
-
比如CPU 触发指令访问请求，使用虚拟地址 0x01234567，以linux为例
-
MMU 会自动查询TLB，它问TLB有没有现成的转换好的物理地址？具体是指用地址的高位（如 47--12位）作为键去查找是否有对应的物理页帧地址
如果TLB 命中则返回物理地址结果，否则触发下面将要提及的页表遍历。
-
MMU 启动页表遍历：
- 从 TTBR（Translation Table Base Register）获取页表基地址
- 使用 VA 的各段索引依次访问 PGD → PUD → PMD → PTE
-
PTE 中记录了物理页的起始地址
-
将页内偏移加到物理页地址上，即物理页帧地址 + 页内偏移，得到最终物理地址
-
权限检查：MMU 检查该页是否允许读/写， 如果如果允许访问，继续执行并更新TLB，否则触发异常。
VIPT拓展
如果是要获取这个地址对应的指令内容，则需要提及ARM 架构中的 FEAT_VIPT（Virtually Indexed, Physically Tagged）指令缓存策略,
从ARM8.0开始是强制性要求，指的是用虚拟地址索引+物理地址标记来加速访问。
ARM 兼容处理器为了兼顾性能与灵活性，在指令缓存中采用 VIPT 策略，主要原因及说明如下：
- 性能优化：使用虚拟地址索引可以在地址转换完成前就开始缓存查找，提升速度。
- 索引使用虚拟地址：用于定位缓存行（Cache Line）
- 标记Tag使用物理地址：用于验证缓存行是否匹配
- CPU 可以立刻用虚拟地址的部分位（通常是页内偏移）来定位缓存集合（Cache Set），不需要等待 MMU 完成地址转换（VA → PA）
- 这就允许缓存查找和 TLB 查询并行进行，节省时间
- 硬件简化：VIPT 可以减少 TLB（Translation Lookaside Buffer）访问延迟。
- 如果缓存查找必须等 TLB 返回结果（如 PIPT 策略），就会引入延迟。而 VIPT 策略允许：
- 先用虚拟地址索引缓存
- 同时启动 TLB 查询以获取物理地址用于标签匹配
- 如果缓存命中，TLB 查询结果可以用于验证
- 如果缓存未命中，TLB 结果用于访问主存
- 这种并行机制显著减少了等待 TLB 的时间，从而提升了指令访问速度。
- 兼容性考虑：ARM 架构支持多种内存管理单元（MMU）配置，VIPT 更适合嵌入式系统或高性能场景。
我们以一个指令访问为例，
假设虚拟地址为 VA = 0x12345678，页大小为 4KB，缓存大小为 32KB，采用 VIPT 策略。
步骤 1：使用虚拟地址索引缓存集合（Cache Set）
- 页大小为 4KB → 页内偏移为 12 位（VA[11:0]）
- 假设缓存有 64 个集合（sets），需要 6 位索引 → 通常从 VA[11:6] 提取
- CPU 立即用 VA 的这部分位定位到某个缓存集合，这一步不需要地址转换，速度快！
步骤 2：并行启动 TLB 查询
- 同时，MMU 使用虚拟地址启动页表查询或 TLB 查询
- 如果 TLB 命中，直接返回物理地址（PA）
- 如果 TLB 未命中，走页表遍历流程
- 这一步可能慢，但可以与索引并行进行.
步骤 3：查询缓存集合
- 缓存集合中一般有多个缓存行，每个缓存行都有一个 tag代表物理地址的高位，
- 我们用 TLB 返回的物理地址与缓存行的 tag 做比较，只有 tag 匹配才命中缓存。
- tag 必须用物理地址？因为虚拟地址可能存在别名（aliasing）问题 - 两个不同的虚拟地址可能映射到同一个物理地址。
- 一个 64B 的缓存行大概是长这样
| Tag | Valid | Dirty | LRU bits | Data[0..63] |
|---|---|---|---|---|
| 物理地址的高 20 位 | 该行无/有效 | 数据被修改后是否已写回主存 | 决定哪个缓存行最久未使用 | 实际存储的数据块 |
步骤 4：命中则读取，未命中则访问主存
- 如果 tag 匹配 → 命中 → 直接读取缓存数据
- 如果 tag 不匹配 → 未命中 → 访问主存并更新缓存