loongarch架构介绍—（五）TLB维护

,​​想了解更多关于开源的内容，请访问：​​,​​51CTO 开源基础软件社区​​,​​https://ost.51cto.com​​,上一篇文章中介绍了loongarch中TLB相关的异常处理，这一篇文章继续介绍TLB相关的维护操作。,首先补充loongarch中TLB相关的硬件背景知识。,loongarch架构中，TLB分为两个部分：一个是所有表项的页大小都相同的Singular-Page-Size TLB，简称STLB；一个是支持不同表项的页大小可以不同的Multiple-Page-Size TLB，简称MTLB。在进行虚实地址转换时，STLB和MTLB同时查找。同时软件上需保证不会出现MTLB和STLB同时命中的情况。,STLB和MTLB的表项格式基本一致，区别仅在于MTLB每个表项中均包含了一个页大小的信息，而STLB每个表项中无此信息。,回顾上一篇文章中介绍了的TLB表项格式：,,其中PS（page size）域仅存在于MTLB。,虚拟地址空间的引入为程序提供了方便，但同时也带来了其他问题。,其中，有一种称为homonym的问题，其指的是单个虚拟地址指向多个物理地址的情况。例如，在多个进程中使用了相同的虚拟地址，但这些虚拟地址实际上指向了不同的物理地址。当进程切换、虚拟地址空间切换、页表修改等情况时，硬件上的缓存数据不一定会自动进行同步，此时就会有数据不一致的问题。,因此，操作系统在软件上需要手动去维护相关的硬件数据一致性：,在一些早期的架构中，invalidate TLB操作实际上是将整个TLB中的数据无效，因为TLB因homonym问题无法判断其缓存的表项属于哪个进程。,但实际上，刷新整个TLB的数据是一件相当浪费性能的事，既会影响上下文切换时的速度，也会降低TLB加速的作用。因此，后来的架构一般都会在TLB中加入其他标识以识别不同的进程或者虚拟地址空间，这样TLB不需要每次切换上下文都进行invalidate操作。,ASID（Address Space ID）就是这样的标识。loongarch中支持ASID，见上文中TLB表项图，其中就有ASID域。每个TLB表项都有ASID，ASID由操作系统在软件上进行分配，一般一个虚拟地址空间有一个唯一的ASID，这样就有效减少了TLB invalidate操作的次数。,loongarch中，CSR.ASID寄存器可以控制当前TLB使用的ASID，如下图：,,同时loongarch中TLB相关维护指令也支持根据ASID，只无效部分ASID匹配的表项。见后文介绍。,相较于cache维护，TLB相关的维护是本文着重介绍的内容。主要是因为目前loongarch中cache相关的资料较少。,一般来说，在上下文切换、页表修改等情况时，是否需要在软件上对cache进行维护，与具体的架构和cache类型有关。以ARM架构为例，其中VIVT类型的cache在涉及页表切换等操作时需要进行维护。,下面用linux中loongarch下TLB flush相关API对invtlb指令举例说明。,注：目前loongarch手册中的op操作类型似乎不全。,本节结合linux中上下文切换部分代码对TLB invalidate操作进行分析。,以下为linux中context_switch上下文切换函数的流程：,在进行任务上下文切换函数switch_to之前，如果涉及进程虚拟地址空间改变，则需要切换mmu上下文。上面switch_mm函数的作用就是切换mmu上下文。,loongarch架构代码中switch_mm及相关函数的分析如下：,其中，switch_mm函数主要完成两个任务：,上面的asid_valid函数检测ASID是否变化，get_new_mmu_context函数负责重新分配ASID和ASID溢出时调用local_flush_tlb_user函数进行invalidate TLB操作。,local_flush_tlb_user函数分析如下：,另外，上面代码中ASID管理部分可以进一步改进，因为每次检测到ASID变化后，mm结构体被设置了一个新分配的ASID，这样实际上未能利用mm结构体中原来的ASID和TLB中对应缓存数据。,本文介绍了TLB维护操作和相关指令，并结合linux中代码进行了分析。这篇文章之后，本系列文章暂时告一段落。主要是目前loongarch相关的资料有限，描述二进制翻译扩展等扩展内容的loongarch手册第二、三卷也还没有出。,最后，在查询loongarch资料（主要是基于龙芯手册第一卷1.02和linux中loongarch部分源码）的过程中也发现了一些不足点或者是不够详细的地方，这里一并列出：,​​想了解更多关于开源的内容，请访问：​​,​​51CTO 开源基础软件社区​​,​​https://ost.51cto.com​​