Etkin sayfalar ön belleği

Etkin sayfalar ön belleği (ESÖ) (Translation Lookaside Buffer (TLB)) sanal bellek kullanan işlemcilerde adres dönüştürme işleminin hızlandırılmasını sağlayan bir tekniktir.
Programın belleğe ulaşması önce fiziksel adrese ve daha sonra veriye ulaşmasıyla mümkündür. Bu yüzden başarımın arttırılmasında alanda yerellik özelliğinden yararlanılır. Sanal bir sayfanın adresi dönüştürüldüğünde sayfadaki öbeklere ulaşımın tekrarı ve dolayısıyla o dönüşümün yakın bir zamanda tekrar kullanılma ihtimali yüksektir. Günümüz makineleri yakın zamanda kullanılan sayfa tablosu satırlarını tutan ve adres dönüşümlerinin izini süren bir ön belleğe sahiptir. Bu özel yapıya Etkin sayfalar ön belleği (ESÖ) adı verilir.
Etkin sayfalar ön belleği sadece sayfa tablosu eşleştirmelerini tutan bir ön bellektir. Sayfa bulma olayı gerçekleştiğinde gerçek adres numarası adresin yapılandırılması için kullanılır ve karşılık gelen bit mantıksal bire işaret eder. Eğer ESÖde bir sayfa bulamama olayı gerçekleşirse bunun nedeninin bir sayfa hatası mı yoksa sadece ESÖden kaynaklanan bir sayfa bulamama (miss) mı olduğuna karar verilmelidir. Eğer sayfa bellekte mevcut ise sorunun ESÖde bir dönüştürme hatasından ve eksikliğinden kaynaklandığı anlaşılır. Bu durumda işlemci sayfa tablosundaki adres dönüşümlerini Etkin sayfalar ön belleğine baştan yükleyerek, başvuruyu (reference) tekrar eder. ESÖ sayfa bulamama durumu donanımla veya yazılım kullanılarak halledilebilir. Eğer sayfa bellekte mevcut değil ise gerçek bir sayfa hatası söz konusudur. Bu durumda işlemci, işletim sistemini kural dışı durum ile uyarır.
Etkin sayfalar ön belleği, diğer sıradan ön bellekler gibi tam ilişkili, kümeli ilişkili ya da doğrudan eşlemeli olarak tasarlanabilir.
Etkin sayfalar ön bellekleri çoğunlukla küçüktür, satır sayısı çok hızlı bilgisayarlarda bile 128-256yı geçmediğinden bu ön belleklerde karmaşık olan tam ilişkili aramanın masrafı fazla değildir. Çoğu orta düzey işlemcide küçük n yollu kümeli ilişkili düzen kullanılır. ESÖ kullanan bilgisayarlar ön bellek erişimi için gereken çevrim sayısını azaltmak için ön bellek erişimini ESÖ erişimi ile koşut olarak (aynı anda, eşzamanlı) yapar. Bu yöntem ile sanal adreslerin sayfa numaraları ESÖde arama işlemi için kullanılırken sayfa eklemesi kısmı ön bellek erişiminde dizin olarak görev yapar.
Eşzamanlı ESÖ ve ön bellek erişiminin sorunları
Eş zamanlı erişim ancak ön belleğe dizin olarak gönderilen bitler sanal adres dönüştürmesi sırasında değişmezse işe yarar. Bu durum küçük ön bellekler, büyük sayfa boyutları ya da yüksek n yollu kümeli ilişkili ön bellekler kullanma gereksinimini doğurur.
Sanal bellek, etkin sayfalar ön belleği (ESÖ) ve ön bellek
En iyi koşullarda bir sanal adres ESÖ tarafından dönüştürülerek ön belleğe yollanır ve ilgili veri bulunur, getirilir ve daha sonra işlemciye geri gönderilir. En kötü durumda ise başvuru (reference) sıradüzendeki bu üç yapıda da; yani ESÖ, sayfa tablosu ve ön bellekte bulunamaz.
MIPS R2000 Etkin Sayfalar Ön belleği (ESÖ) (Translation Lookaside Buffer (TLB))
DECStation 3100de kullanılan MIPS R2000 her ne kadar basit bir uygulamaya sahip olsa da özyapısı günümüz Etkin sayfalar belleklerininkine çok benzerdir. Bellek sistemi
4-KB sayfalar ve 32-bitlik adres uzayına sahiptir. Dolayısıyla, sanal sayfa numaraları 20 bit uzunluktadır. Sanal adres ile gerçek adres aynı boyutlara sahiptir. Etkin sayfalar ön belleği (ESÖ) 64 kayıt tutabilir ve tam eşlemelidir. ESÖ buyruk ve veri başvuruları tarafından paylaşılır. Her kayıt 64 bit genişliğindedir ve 20 bitlik etikete sahiptir ki bu etiket kaydın ESÖde tutulan sanal sayfa numarasıdır. Sanal sayfa numarasına karşılık gelen gerçek sayfa numarası da 20 bit uzunluğundadır ve geçerli bit, kirli bit gibi sayman bitlerine yer verir.
Bir ESÖ sayma bulamama durumu meydana geldiğinde, MIPS donanımı başvurunun sayfa numarasını özel bir yazmaca kaydeder ve kural dışı durum üretir. Kural dışı durum işletim sistemini uyararak sorunun yazılım katmanında halledilmesini sağlar. Bulunamayan sayfanın gerçek adresini bulmak için ESÖ sayfa tablosunu sanal adres numarası ve yürürlükte olan sayfa tablosunun başlangıç adresini tutan yazmaç yardımıyla dizinler. Bir takım buyruk kümesi ile etkin sayfalar ön belleği güncellenir. İşletim sistemi sayfa tablosundaki eşlenen gerçek adresleri etkin sayfalar ön belleğine yerleştirir. Eğer geçersiz bir gerçek adresle karşılaşılmışsa hata oluşur. Bir ESÖde sayfa bulamama durumu en az 10, ortalama olarak da 16 çevrimlik bir gecikmeye neden olur. Donanım değiştirilmek sayfa için bir önerme dizini tutar ve bu dizinden rastgele bir kayıt seçilir.
ESÖde koruma (protection) sağlanması için yazma erişiminin denetimini sağlayan bir bit mevcuttur. Bu özellik, salt okunur sayfaların üzerine yazmayı engeller böyle bir istekle karşılaşıldığında da bir hata üretir.