Adres Dönüştürme Önbelleği (ADÖ) (Translation Lookaside Buffer (TLB)) sanal bellekte adres dönüştürme işleminin hızlandırılmasını sağlayan bir tekniktir.



Adres Dönüştürme Önbelleği (ADÖ) (Translation Lookaside Buffer (TLB)) sayfa tablosu satırlarını tutar ve adres dönüşümlerinin izini sürer.


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 önbelleğe (cache) sahiptir. Bu özel yapıya Adres Dönüştürme Önbelleği (ADÖ) (Translation Lookaside Buffer (TLB)) adı verilir.



Adres Dönüştürme Önbelleği (ADÖ) (Translation Lookaside Buffer (TLB)) kullanılarak adres dönüşümü



Adres Dönüştürme Önbelleği sadece sayfa tablosu eşleştirmelerini tutan bir önbellektir. Sayfa bulma olayı ((vuruş) (hit)) gerçekleştiğinde gerçek adres numarası adresin yapılandırılması için kullanılır ve karşılık gelen bit mantıksal bire işaret eder. Eğer ADÖ’ de bir sayfa bulamama olayı ((ıska)(miss)) gerçekleşirse bunun nedeninin bir sayfa hatası mı yoksa sadece ADÖ’ den kaynaklanan bir sayfa bulamama (miss) mı olduğuna karar verilmelidir. Eğer sayfa bellekte mevcut ise sorunun ADÖ’ de bir dönüştürme hatasından ve eksikliğinden kaynaklandığı anlaşılır. Bu durumda işlemci sayfa tablosundaki adres dönüşümlerini Adres Dönüştürme Önbelleğine baştan yükleyerek, başvuruyu (reference) tekrar eder. ADÖ sayfa bulamama durumu donanımla veya yazılım kullanılarak halledilebilir. Eğer sayfa bellekte mevcut değil ise gerçek bir sayfa hatası (page fault) söz konusudur. Bu durumda işlemci, işletim sistemini kural dışı durum (exception) ile uyarır.



Adres Dönüştürme Önbelleği (ADÖ) sayfa tablosunda gerçek adreslere eşlenen kayıtları tutan bir önbellek işlevi görür.




Adres Dönüştürme Önbelleği (ADÖ), diğer sıradan önbellekler gibi tam ilişkili, kümeli ilişkili ya da doğrudan eşlemeli olarak tasarlanabilir.
Adres Dönüştürme Önbellekleri çoğunlukla küçüktür, satır sayısı çok hızlı bilgisayarlarda bile 128-256’yı geçmediğinden bu önbelleklerde karmaşık olan tam ilişkili aramanın masrafı fazla değildir. Çoğu orta düzey işlemcide küçük n yollu kümeli ilişkili düzen kullanılır. ADÖ kullanan bilgisayarlar önbellek erişimi için gereken çevrim sayısını azaltmak için önbellek erişimini ADÖ erişimi ile koşut olarak (aynı anda, eşzamanlı) yapar. Bu yöntem ile sanal adreslerin sayfa numaraları ADÖ’ de arama işlemi için kullanılırken sayfa eklemesi kısmı önbellek erişiminde dizin olarak görev yapar.

Eşzamanlı ADÖ ve Önbellek Erişiminin Sorunları


Eş zamanlı erişim ancak önbelleğe dizin olarak gönderilen bitler sanal adres dönüştürmesi sırasında değişmezse işe yarar. Bu durum küçük önbellekler, büyük sayfa boyutları ya da yüksek n yollu kümeli ilişkili önbellekler kullanma gereksinimini doğurur.

Sanal Bellek, Adres Dönüştürme Önbelleği (ADÖ) ve Önbellek


En iyi koşullarda bir sanal adres ADÖ tarafından dönüştürülerek önbelleğe yollanır ve ilgili veri bulunur, getirilir ve daha sonra işlemciye geri gönderilir. En kötü durumda ise başvuru (reference) sıradüzendeki bu üç yapıda da; yani ADÖ, sayfa tablosu ve önbellekte bulunamaz.



MIPS R2000 Adres Dönüştürme ÖnBelleği (ADÖ) (Translation Lookaside Buffer (TLB))




DECStation3100 Adres Dönüştürme Önbelleği (ADÖ) ve önbelleğinde (cache) gerçekleştirilen okuma/yazma işleminin adımları





DECStation 3100’de kullanılan MIPS R2000 her ne kadar basit bir uygulamaya sahip olsa da özyapısı günümüz adres dönüştürme 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. Adres dönüştürme önbelleği (ADÖ) 64 kayıt tutabilir ve tam eşlemelidir. ADÖ buyruk ve veri başvuruları tarafından paylaşılır. Her kayıt 64 bit genişliğindedir ve 20 bitlik etikete sahiptir ki bu etiket kaydın ADÖ’ de 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 ADÖ sayma bulamama durumu meydana geldiğinde, MIPS donanımı başvurunun sayfa numarasını özel bir yazmaca kaydeder ve kural dışı durum (exception) üretir. Kural dışı durum işletim sistemini uyararak sorunun yazılım katmanında halledilmesini sağlar. Bulunamayan sayfanın gerçek adresini bulmak için ADÖ sayfa tablosunu sanal adres numarası ve yürürlükte olan sayfa tablosunun başlangıç adresini tutan yazmaç yardımıyla dizinler. Bir takım buyruk kümesi ile adres dönüştürme önbelleği güncellenir. İşletim sistemi sayfa tablosundaki eşlenen gerçek adresleri adres dönüştürme önbelleğine yerleştirir. Eğer geçersiz bir gerçek adresle karşılaşılmışsa hata oluşur. Bir ADÖ’ de 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 rasgele bir kayıt seçilir.
ADÖ’ de 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.