トランスレーション・ルックアサイド・バッファ
CPU自身が自動的にページテーブルを参照して、指定された仮想アドレスに対応するエントリがないか調べる(x86の場合は、CR3レジスタを使用)。エントリがあれば、必要な情報がTLBに読み込まれ、TLB参照を再実行し、TLBヒットとなってプログラムの実行は正常に続行される。CPU がページテーブルから対応するエントリを見つけられなかった場合ページフォールトが発生してオペレーティングシステムが例外処理を行う。その場合、必要なデータを物理メモリにロードし、ページテーブルを書き換えて例外を発生した仮想アドレスにデータをロードした物理アドレスを対応させ、プログラムの実行を再開する(詳しくはページフォールト参照)。この場合、TLBエントリの詳細なフォーマットはソフトウェアからは見えず、同じアーキテクチャであっても互換性を失わずにCPUの機種ごとに変更(最適化)することができる。
サーバ統合のための仮想化がよく行われるようになり、x86アーキテクチャでの仮想化を容易にする努力やx86での仮想機械の性能向上の努力がなされてきた。その中でも最新といえるのがTLBの改良である。
従来、x86のTLBエントリはどのアドレス空間とも結び付けられていなかった。従って、コンテキストスイッチなどでアドレス空間が変わると、TLB全体をフラッシュする必要があった。x86のTLBは完全にハードウェア管理方式であり、低レイテンシで動作するよう設計されているため、TLBエントリにアドレス空間を識別するタグを導入するのは困難だった。2008年、インテルがNehalemで、AMDがSVMで、そのようなタグをTLBエントリに導入し、TLB参照時にそのタグをチェックするようハードウェアを改良した。今のところこのタグは十分利用されていないが、今後TLBエントリの属するアドレス空間の識別に使われる予定である。そうすればコンテキストスイッチ時に全TLBがフラッシュされることはなくなり、単に現在のアドレス空間を示す値を切り替えるだけになる。