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Una optimización común para las cachés direccionadas de manera física es realizar una búsqueda en el TLB en paralelo con el acceso a caché. Los bits de orden más bajo de cualquier dirección virtual (por ejemplo en un sistema de [[memoria virtual]] que tiene páginas de 4KB, los 12 bits más bajos de la dirección virtual) no cambian en la traducción de dirección virtual a física. Durante un acceso a caché se realizan dos acciones: Se utiliza un índice para encontrar una entrada en el sistema de datos de la caché, y a continuación las etiquetas de la línea encontrada se comparan. Si la caché está estructurada de tal manera que pueda ser indexada utilizando solo los bits que no cambian en la traducción, la caché puede realizar su operación de "indexación" mientras el TLB traduce la parte alta de la dirección. Entonces, la dirección traducida del TLB es enviada a la caché. La caché realiza una comparación de etiquetas para determinar si este acceso ha sido un acierto o un fallo.
===Fallo===
En las arquitecturas modernas se pueden observar dos métodos de tratar un fallo de TLB.
Con el manejo hardware del TLB, la propia CPU comprueba las [[tabla de paginación|tablas de paginación]] para ver si hay alguna entrada válida para la dirección virtual especificada. Si la entrada existe, se lleva a la TLB y se reintenta el acceso; esta vez el acceso será un acierto, y el programa podrá proceder con normalidad. Si la CPU no encuentra una entrada válida para la dirección virtual en las tablas de página, se genera una excepción de [[fallo de página]], la cual deberá manejar el [[sistema operativo]]. El manejo de los fallos de página normalmente implica llevar los datos pedidos a la memoria física, generando una entrada en la tabla de paginación para mapear la dirección virtual que faltaba para corregir la dirección física, y reiniciar el programa.
Con el manejo software de las TLB, un fallo genera una excepción "fallo de TLB", y el sistema operativo debe acceder a las tablas de paginación y realizar la traducción por software. Entonces, el sistema operativo carga la traducción en el TLB y reinicia el programa desde la instrucción que causó el fallo. Como en el sistema de manejo hardware, si el SO no encuentra una traducción válida en las tablas, ocurre un fallo de página y el SO deberá manejarlo de la manera correspondiente.
===Estadísticas típicas===
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