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loongarch架構(gòu)介紹—（五）TLB維護(hù)

??想了解更多關(guān)于開(kāi)源的內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：??

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前言

上一篇文章中介紹了loongarch中TLB相關(guān)的異常處理，這一篇文章繼續(xù)介紹TLB相關(guān)的維護(hù)操作。

1、TLB硬件組織機(jī)構(gòu)

首先補(bǔ)充loongarch中TLB相關(guān)的硬件背景知識(shí)。

loongarch架構(gòu)中，TLB分為兩個(gè)部分：一個(gè)是所有表項(xiàng)的頁(yè)大小都相同的Singular-Page-Size TLB，簡(jiǎn)稱(chēng)STLB；一個(gè)是支持不同表項(xiàng)的頁(yè)大小可以不同的Multiple-Page-Size TLB，簡(jiǎn)稱(chēng)MTLB。在進(jìn)行虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換時(shí)，STLB和MTLB同時(shí)查找。同時(shí)軟件上需保證不會(huì)出現(xiàn)MTLB和STLB同時(shí)命中的情況。

STLB和MTLB的表項(xiàng)格式基本一致，區(qū)別僅在于MTLB每個(gè)表項(xiàng)中均包含了一個(gè)頁(yè)大小的信息，而STLB每個(gè)表項(xiàng)中無(wú)此信息。

回顧上一篇文章中介紹了的TLB表項(xiàng)格式：

其中PS（page size）域僅存在于MTLB。

2、虛擬內(nèi)存系統(tǒng)與硬件維護(hù)

虛擬地址空間的引入為程序提供了方便，但同時(shí)也帶來(lái)了其他問(wèn)題。

其中，有一種稱(chēng)為homonym的問(wèn)題，其指的是單個(gè)虛擬地址指向多個(gè)物理地址的情況。例如，在多個(gè)進(jìn)程中使用了相同的虛擬地址，但這些虛擬地址實(shí)際上指向了不同的物理地址。當(dāng)進(jìn)程切換、虛擬地址空間切換、頁(yè)表修改等情況時(shí)，硬件上的緩存數(shù)據(jù)不一定會(huì)自動(dòng)進(jìn)行同步，此時(shí)就會(huì)有數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題。

因此，操作系統(tǒng)在軟件上需要手動(dòng)去維護(hù)相關(guān)的硬件數(shù)據(jù)一致性：

  • TLB維護(hù)：TLB中緩存的頁(yè)表項(xiàng)就有可能因?yàn)檐浖蠈?duì)頁(yè)表的修改，出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題。操作系統(tǒng)需要進(jìn)行invalidate（或者稱(chēng)為flush）TLB的操作，將相應(yīng)的表項(xiàng)無(wú)效。
  • cache維護(hù)：某些類(lèi)型的cache也可能會(huì)因頁(yè)表的修改，出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題。對(duì)于這些cache，操作系統(tǒng)同樣需要進(jìn)行clean或invalidate操作。

（1）TLB維護(hù)與ASID

在一些早期的架構(gòu)中，invalidate TLB操作實(shí)際上是將整個(gè)TLB中的數(shù)據(jù)無(wú)效，因?yàn)門(mén)LB因homonym問(wèn)題無(wú)法判斷其緩存的表項(xiàng)屬于哪個(gè)進(jìn)程。

但實(shí)際上，刷新整個(gè)TLB的數(shù)據(jù)是一件相當(dāng)浪費(fèi)性能的事，既會(huì)影響上下文切換時(shí)的速度，也會(huì)降低TLB加速的作用。因此，后來(lái)的架構(gòu)一般都會(huì)在TLB中加入其他標(biāo)識(shí)以識(shí)別不同的進(jìn)程或者虛擬地址空間，這樣TLB不需要每次切換上下文都進(jìn)行invalidate操作。

ASID（Address Space ID）就是這樣的標(biāo)識(shí)。loongarch中支持ASID，見(jiàn)上文中TLB表項(xiàng)圖，其中就有ASID域。每個(gè)TLB表項(xiàng)都有ASID，ASID由操作系統(tǒng)在軟件上進(jìn)行分配，一般一個(gè)虛擬地址空間有一個(gè)唯一的ASID，這樣就有效減少了TLB invalidate操作的次數(shù)。

loongarch中，CSR.ASID寄存器可以控制當(dāng)前TLB使用的ASID，如下圖：

同時(shí)loongarch中TLB相關(guān)維護(hù)指令也支持根據(jù)ASID，只無(wú)效部分ASID匹配的表項(xiàng)。見(jiàn)后文介紹。

（2）cache維護(hù)

相較于cache維護(hù)，TLB相關(guān)的維護(hù)是本文著重介紹的內(nèi)容。主要是因?yàn)槟壳發(fā)oongarch中cache相關(guān)的資料較少。

一般來(lái)說(shuō)，在上下文切換、頁(yè)表修改等情況時(shí)，是否需要在軟件上對(duì)cache進(jìn)行維護(hù)，與具體的架構(gòu)和cache類(lèi)型有關(guān)。以ARM架構(gòu)為例，其中VIVT類(lèi)型的cache在涉及頁(yè)表切換等操作時(shí)需要進(jìn)行維護(hù)。

3、TLB相關(guān)維護(hù)指令

  • tlbclr：tlbclr指令根據(jù)TLB相關(guān)CSR中的信息無(wú)效TLB中的內(nèi)容。
  • 當(dāng)CSR.TLBIDX.Index落在MTLB范圍內(nèi)時(shí)，執(zhí)行tlbclr，將MTLB中所有G=0且ASID等于CSR.ASID.ASID的表項(xiàng)無(wú)效。其中G、ASID為表項(xiàng)中的域。
  • 當(dāng)CSR.TLBIDX.Index落在STLB范圍內(nèi)時(shí)，執(zhí)行tlbclr，將STLB中CSR.TLBIDX.Index對(duì)應(yīng)的且G=0且ASID等于CSR.ASID.ASID的表項(xiàng)無(wú)效。
  • tlbflush：tlbflush指令同樣根據(jù)TLB相關(guān)CSR中的信息無(wú)效TLB中的內(nèi)容，但作用范圍較tlbclr指令更廣。
  • 當(dāng)CSR.TLBIDX.Index落在MTLB范圍內(nèi)時(shí)，執(zhí)行tlbflush，將MTLB中所有的表項(xiàng)無(wú)效。
  • 當(dāng)CSR.TLBIDX.Index落在STLB范圍內(nèi)時(shí)，執(zhí)行tlbflush，將STLB中CSR.TLBIDX.Index對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)無(wú)效。
  • invtlb op, rj, rk：invtlb指令同樣用于無(wú)效TLB中的內(nèi)容，但相較于tlbclr和tlbflush指令更加靈活。
  • op表示操作類(lèi)型，下面是loongarch手冊(cè)中列出的op類(lèi)型：
  • op=0：清除所有表項(xiàng)。
  • op=1：清除所有表項(xiàng)。效果和op=0完全一致。
  • op=2：清除所有G=1的表項(xiàng)。
  • op=3：清除所有G=0的表項(xiàng)。
  • op=4：清除所有G=0，且ASID等于寄存器指定ASID的表項(xiàng)。
  • op=5：清除所有G=0，ASID等于寄存器指定ASID，且VA等于寄存器指定VA的表項(xiàng)。
  • op=6：清除所有G=1或ASID等于寄存器指定ASID，且VA等于寄存器指定VA的表項(xiàng)。
  • 通用寄存器rj中存放ASID信息。當(dāng)op對(duì)應(yīng)的操作不需要ASID時(shí)，rj應(yīng)設(shè)置為r0。
  • 通用寄存器rk中存放VA虛擬地址信息。當(dāng)op對(duì)應(yīng)的操作不需要VA時(shí)，rk應(yīng)設(shè)置為r0。

下面用linux中l(wèi)oongarch下TLB flush相關(guān)API對(duì)invtlb指令舉例說(shuō)明。

注：目前l(fā)oongarch手冊(cè)中的op操作類(lèi)型似乎不全。

// invtlb指令中的op
enum invtlb_ops {
    /* Invalid all tlb */
    INVTLB_ALL = 0x0,
    /* Invalid current tlb */
    INVTLB_CURRENT_ALL = 0x1,
    /* Invalid all global=1 lines in current tlb */
    INVTLB_CURRENT_GTRUE = 0x2,
    /* Invalid all global=0 lines in current tlb */
    INVTLB_CURRENT_GFALSE = 0x3,
    /* Invalid global=0 and matched asid lines in current tlb */
    INVTLB_GFALSE_AND_ASID = 0x4,
    /* Invalid addr with global=0 and matched asid in current tlb */
    INVTLB_ADDR_GFALSE_AND_ASID = 0x5,
    /* Invalid addr with global=1 or matched asid in current tlb */
    INVTLB_ADDR_GTRUE_OR_ASID = 0x6,
    /* Invalid matched gid in guest tlb */
    INVGTLB_GID = 0x9,
    /* Invalid global=1, matched gid in guest tlb */
    INVGTLB_GID_GTRUE = 0xa,
    /* Invalid global=0, matched gid in guest tlb */
    INVGTLB_GID_GFALSE = 0xb,
    /* Invalid global=0, matched gid and asid in guest tlb */
    INVGTLB_GID_GFALSE_ASID = 0xc,
    /* Invalid global=0 , matched gid, asid and addr in guest tlb */
    INVGTLB_GID_GFALSE_ASID_ADDR = 0xd,
    /* Invalid global=1 , matched gid, asid and addr in guest tlb */
    INVGTLB_GID_GTRUE_ASID_ADDR = 0xe,
    /* Invalid all gid gva-->gpa guest tlb */
    INVGTLB_ALLGID_GVA_TO_GPA = 0x10,
    /* Invalid all gid gpa-->hpa tlb */
    INVTLB_ALLGID_GPA_TO_HPA = 0x11,
    /* Invalid all gid tlb, including  gva-->gpa and gpa-->hpa */
    INVTLB_ALLGID = 0x12,
    /* Invalid matched gid gva-->gpa guest tlb */
    INVGTLB_GID_GVA_TO_GPA = 0x13,
    /* Invalid matched gid gpa-->hpa tlb */
    INVTLB_GID_GPA_TO_HPA = 0x14,
    /* Invalid matched gid tlb,including gva-->gpa and gpa-->hpa */
    INVTLB_GID_ALL = 0x15,
    /* Invalid matched gid and addr gpa-->hpa tlb */
    INVTLB_GID_ADDR = 0x16,
};
/*
 * invtlb op info addr
 * (0x1 << 26) | (0x24 << 20) | (0x13 << 15) |
 * (addr << 10) | (info << 5) | op
 */
// 基于機(jī)器碼封裝了invtlb op info addr格式的指令
static inline void invtlb(u32 op, u32 info, u64 addr)
{
    __asm__ __volatile__(
        "parse_r addr,%0\n\t"
        "parse_r info,%1\n\t"
        ".word ((0x6498000) | (addr << 10) | (info << 5) | %2)\n\t"
        :
        : "r"(addr), "r"(info), "i"(op)
        :
        );
}
// invtlb op 0 0指令
static inline void invtlb_all(u32 op, u32 info, u64 addr)
{
    __asm__ __volatile__(
        ".word ((0x6498000) | (0 << 10) | (0 << 5) | %0)\n\t"
        :
        : "i"(op)
        :
        );
}

4、上下文切換和TLB維護(hù)

本節(jié)結(jié)合linux中上下文切換部分代碼對(duì)TLB invalidate操作進(jìn)行分析。

以下為linux中context_switch上下文切換函數(shù)的流程：

context_switch(struct rq *rq, struct task_struct *prev,
|           struct task_struct *next)
|   // 更新時(shí)間片、最近進(jìn)隊(duì)時(shí)間等調(diào)度信息以及其他準(zhǔn)備工作
|-> prepare_task_switch(rq, prev, next);
|
|   // 虛擬地址空間切換相關(guān)
|-> mm = next->mm;
|   oldmm = prev->active_mm;
|   if (!mm) {
|       next->active_mm = oldmm;
|       atomic_inc(&oldmm->mm_count); // 增加oldmm的引用計(jì)數(shù)
|       // 其他架構(gòu)（x86）相關(guān)，這里不關(guān)注
|       enter_lazy_tlb(oldmm, next); 
|   } else
|       // 切換到用戶(hù)進(jìn)程，需切換進(jìn)程虛擬空間
|       switch_mm(oldmm, mm, next);
|
|-> ...
|
|   // 切換任務(wù)上下文
|-> switch_to(prev, next, prev);
|   // 切換后再次被調(diào)度時(shí)向下執(zhí)行
|
|   // 用barrier機(jī)制同步，
|   // 保證switch_to和finish_task_switch的執(zhí)行順序
|-> barrier();
    |   // 使用gcc內(nèi)聯(lián)匯編:::"memory"語(yǔ)法實(shí)現(xiàn)，
    |   // 這樣編譯器不會(huì)優(yōu)化此語(yǔ)句前后的訪(fǎng)存順序
    |-> #define barrier() __asm__ __volatile__("": : :"memory")
|
|   // 再次被調(diào)度時(shí)，進(jìn)行清理工作
|-> finish_task_switch(this_rq(), prev);

在進(jìn)行任務(wù)上下文切換函數(shù)switch_to之前，如果涉及進(jìn)程虛擬地址空間改變，則需要切換mmu上下文。上面switch_mm函數(shù)的作用就是切換mmu上下文。

loongarch架構(gòu)代碼中switch_mm及相關(guān)函數(shù)的分析如下：

switch_mm(struct mm_struct *prev, struct mm_struct *next,
|                struct task_struct *tsk)
|-> switch_mm_irqs_off(prev, next, tsk);
    |-> unsigned int cpu = smp_processor_id();
    |
    |   /* Check if our ASID is of an older version and thus invalid */
    |   // 如果asid不同，則需重新分配
    |-> if (!asid_valid(next, cpu))
    |       get_new_mmu_context(next, cpu);
    |
    |   // 寫(xiě)入asid到寄存器CSR.ASID
    |-> write_csr_asid(cpu_asid(cpu, next));
    |
    |   // 切換頁(yè)表
    |-> if (next != &init_mm)
    |       csr_writeq((unsigned long)next->pgd, LOONGARCH_CSR_PGDL);
    |   else
    |       csr_writeq((unsigned long)invalid_pg_dir, LOONGARCH_CSR_PGDL);
    |
    |-> ...

#define cpu_context(cpu, mm) ((mm)->context.asid[cpu])
#define asid_cache(cpu)      (cpu_data[cpu].asid_cache)
static inline int asid_valid(struct mm_struct *mm, unsigned int cpu)
{
    // 如果mm中的asid和當(dāng)前asid_cache不同，則返回?zé)o效
    if ((cpu_context(cpu, mm) ^ asid_cache(cpu)) & asid_version_mask(cpu))
        return 0;

    return 1;
}

static inline void
get_new_mmu_context(struct mm_struct *mm, unsigned long cpu)
{
|   // 循環(huán)遞增地分配新的asid，為舊的asid_cache + 1
|-> u64 asid = asid_cache(cpu);
|   if (!((++asid) & cpu_asid_mask(&cpu_data[cpu])))
|       // 當(dāng)asid溢出時(shí)開(kāi)始新的分配循環(huán)，此時(shí)需刷新TLB中所有用戶(hù)部分
|       local_flush_tlb_user();    /* start new asid cycle */
|
|   // 將mm中asid和當(dāng)前asid_cache設(shè)為新分配的asid
|-> cpu_context(cpu, mm) = asid_cache(cpu) = asid;
}

其中，switch_mm函數(shù)主要完成兩個(gè)任務(wù)：

  • 維護(hù)TLB：如前文所述，loongarch中上下文切換時(shí)需要維護(hù)TLB數(shù)據(jù)一致性。在上面的代碼中，是結(jié)合ASID進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：
  • 每次檢測(cè)ASID是否變化，如果變化則說(shuō)明虛擬地址空間需要進(jìn)行切換，CSR.ASID寄存器需要重新設(shè)置
  • 上面代碼實(shí)現(xiàn)中是通過(guò)循環(huán)遞增的方式分配新的ASID，當(dāng)ASID溢出時(shí)需要使用invalidate TLB操作來(lái)保證數(shù)據(jù)一致性
  • 切換頁(yè)表：不同的用戶(hù)虛擬地址空間有不同的頁(yè)表，需通過(guò)設(shè)置相關(guān)寄存器進(jìn)行切換。頁(yè)表相關(guān)的配置可參考前面的文章。

上面的asid_valid函數(shù)檢測(cè)ASID是否變化，get_new_mmu_context函數(shù)負(fù)責(zé)重新分配ASID和ASID溢出時(shí)調(diào)用local_flush_tlb_user函數(shù)進(jìn)行invalidate TLB操作。

local_flush_tlb_user函數(shù)分析如下：

local_flush_tlb_user(void)
|   // 刷新所有g(shù)lobal=0的TLB表項(xiàng)
|-> invtlb_all(INVTLB_CURRENT_GFALSE, 0, 0);

另外，上面代碼中ASID管理部分可以進(jìn)一步改進(jìn)，因?yàn)槊看螜z測(cè)到ASID變化后，mm結(jié)構(gòu)體被設(shè)置了一個(gè)新分配的ASID，這樣實(shí)際上未能利用mm結(jié)構(gòu)體中原來(lái)的ASID和TLB中對(duì)應(yīng)緩存數(shù)據(jù)。

總結(jié)

本文介紹了TLB維護(hù)操作和相關(guān)指令，并結(jié)合linux中代碼進(jìn)行了分析。這篇文章之后，本系列文章暫時(shí)告一段落。主要是目前l(fā)oongarch相關(guān)的資料有限，描述二進(jìn)制翻譯擴(kuò)展等擴(kuò)展內(nèi)容的loongarch手冊(cè)第二、三卷也還沒(méi)有出。

最后，在查詢(xún)loongarch資料（主要是基于龍芯手冊(cè)第一卷1.02和linux中l(wèi)oongarch部分源碼）的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些不足點(diǎn)或者是不夠詳細(xì)的地方，這里一并列出：

  • 指令的介紹有信息遺漏：如第一篇文章中列出的一部分手冊(cè)上沒(méi)有，但在代碼中出現(xiàn)的move等指令；又如前文中的invtlb指令中的op操作類(lèi)型相比代碼中缺少一些
  • 內(nèi)存一致性模型，內(nèi)存訪(fǎng)存類(lèi)型的信息不夠詳細(xì)：第二篇文章中提到了這點(diǎn)，如手冊(cè)中出現(xiàn)的一致可緩存等術(shù)語(yǔ)沒(méi)有解釋
  • 中斷機(jī)制相關(guān)信息不夠詳細(xì)
  • cache相關(guān)信息不夠詳細(xì)

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