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loongarch架構(gòu)介紹（四）TLB異常處理

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前言

上一篇文章中介紹了loongarch架構(gòu)中的地址翻譯模式及其配置方法，涉及到虛擬內(nèi)存系統(tǒng)中頁表相關(guān)的管理。本文中則介紹TLB相關(guān)的異常處理，并結(jié)合代碼進(jìn)行分析。因?yàn)閘oongarch架構(gòu)中采用的是一種軟件管理TLB的方法，所以其處理流程和軟件所需要進(jìn)行的管理操作與很多常見的架構(gòu)不同。

1、TLB表項(xiàng)和頁表項(xiàng)

首先介紹TLB表項(xiàng)和頁表項(xiàng)的格式，作基本的了解。

（1）頁表項(xiàng)格式

下圖為loongarch中的頁表項(xiàng)格式：

下面為各位的說明：

  • V：有效位。標(biāo)志頁表項(xiàng)是否有效。
  • D：臟位。標(biāo)志頁內(nèi)容是否需要回寫。
  • MAT：存儲訪問類型。見前面的文章。
  • G：是否為全局頁。
  • P：物理頁是否存在。
  • W：是否可寫。
  • H：是否為大頁。
  • PA：物理地址高地址部分。
  • NR：不可讀位。表示該頁不可讀。
  • NX：不可執(zhí)行位。表示該頁不可執(zhí)行。
  • PLV和RPLV：特權(quán)級，當(dāng)RPLV=0，表示可以被任何特權(quán)級不低于PLV的程序訪問；當(dāng)RPLV=1，表示僅可以被特權(quán)級等于PLV的程序訪問

其中，大頁的頁表項(xiàng)和基本頁的頁表項(xiàng)在格式上的主要區(qū)別是H位和G位。并且基本頁的頁表項(xiàng)在末級頁表，而大頁的頁表項(xiàng)實(shí)際上是替代了原來的頁目錄項(xiàng)。

另外，對于基本頁的頁表項(xiàng)，loongarch中每個頁表項(xiàng)存放了相鄰的一對奇偶相鄰頁表信息。如下圖：

（2）TLB表項(xiàng)格式

下圖為loongarch中的TLB表項(xiàng)格式：

其中，每個TLB表項(xiàng)分為兩個部分：第一行為比較部分，下面兩行為物理轉(zhuǎn)換部分。

TLB表項(xiàng)的比較部分包括：

  • E：存在位，1比特。為1時表示存在。用于TLB查找時判斷。
  • ASID：address space identifier，10比特。用于區(qū)分不同的進(jìn)程或虛擬地址空間，減少進(jìn)程上下文切換等操作時刷新TLB的性能損失。TLB查找時也需匹配ASID。具體見后面的文章。
  • G：全局位，1比特。用于取消ASID的作用，標(biāo)識為全局的表項(xiàng)。
  • PS：頁大小，6比特。用于支持不同的頁大小。如對于16KB的頁，PS=14。
  • VPPN：虛雙頁號，對應(yīng)一對頁表項(xiàng)信息。對于基本頁的頁表項(xiàng)，loongarch中每個頁表項(xiàng)存放了相鄰的一對奇偶相鄰頁表信息，所以TLB表項(xiàng)中存放的虛頁號是系統(tǒng)中虛頁號/2的內(nèi)容，即虛頁號的最低位不需要放在TLB中。查找TLB時根據(jù)被查找虛頁號的最低位決定是選擇奇數(shù)號頁還是偶數(shù)號頁的物理轉(zhuǎn)換信息。
    而對于大頁的頁表項(xiàng)，硬件上會自動將其拆分為兩個尺寸折半的頁表項(xiàng)存儲在TLB中。如對于32MB的大頁，TLB會存儲兩個16MB大小的表項(xiàng)。

因?yàn)門LB和頁表雙頁存儲的特性，每個TLB表項(xiàng)中有兩個物理轉(zhuǎn)換信息。物理轉(zhuǎn)換信息中PPN即物理頁號，其他和上文中頁表中的對應(yīng)。

2、軟件管理TLB

類似于MIPS架構(gòu)，loongarch中使用的是一種軟件管理TLB的方式。在大多數(shù)其他的架構(gòu)中，采用的都是通過硬件管理TLB的方式。軟件管理TLB帶來了更多的靈活性，但性能相對較差。

硬件管理TLB中，在忽略page fault的細(xì)節(jié)和cache的情況下，虛擬地址轉(zhuǎn)換到物理地址的過程如下圖：

其中，TLB miss后查找頁表的這個過程是由硬件自動完成的，軟件只需處理后面產(chǎn)生的page fault。整個過程中最多產(chǎn)生一次page fault。

下圖則為軟件管理TLB方案中虛擬地址轉(zhuǎn)換到物理地址的過程：

具體解釋如下：

  1. TLB miss后會產(chǎn)生第一次TLB重填（TLB refill）異常，在TLB重填異常中需要軟件去遍歷頁表并填充TLB表項(xiàng)，這里應(yīng)該是軟件管理TLB和硬件管理TLB最大的不同。
  2. 然后TLB重填異常處理中，如果填充的頁表項(xiàng)仍然無效，那么在返回后再次查詢TLB時，會第二次產(chǎn)生其他的fault處理，以填充頁表項(xiàng)、或填充頁表項(xiàng)和TLB項(xiàng)。
  3. 如果第二次fault處理中沒有重填TLB表項(xiàng)，那么在返回后再次查詢TLB時，還會產(chǎn)生第三次TLB重填異常。

可以看到，TLB miss后查找頁表的這個過程需要軟件進(jìn)行處理，并且整個過程中最多能產(chǎn)生三次異常。

另外，硬件上會保證在TLB重填異常中不能再次產(chǎn)生TLB重填異常。

3、TLB相關(guān)異常

loongarch中TLB相關(guān)的異常有：

  • TLB重填異常：TLB miss后產(chǎn)生該異常
  • load操作頁無效異常：load操作的虛擬地址在TLB中找到了匹配項(xiàng)，但該匹配項(xiàng)的V=0時觸發(fā)
  • store操作頁無效異常：store操作的虛擬地址在TLB中找到了匹配項(xiàng)，但該匹配項(xiàng)的V=0時觸發(fā)
  • 取指操作頁無效異常：取指操作的虛擬地址在TLB中找到了匹配項(xiàng)，但該匹配項(xiàng)的V=0時觸發(fā)
  • 頁特權(quán)等級不合規(guī)異常：訪存操作的虛擬地址在TLB中找到了匹配項(xiàng)且V=1，但訪問的特權(quán)等級不合規(guī)時觸發(fā)。參考上文頁表項(xiàng)中的PLV和RPLV域。
  • 頁修改異常：store操作的虛擬地址在TLB中找到了匹配項(xiàng)且V=1且特權(quán)合規(guī)，但該匹配項(xiàng)的D=0時觸發(fā)
  • 頁不可讀異常：load操作的虛擬地址在TLB中找到了匹配項(xiàng)且V=1且特權(quán)合規(guī)，但該匹配項(xiàng)的NR=1時觸發(fā)
  • 頁不可執(zhí)行異常：取指操作的虛擬地址在TLB中找到了匹配項(xiàng)且V=1且特權(quán)合規(guī)，但該匹配項(xiàng)的NX=1時觸發(fā)

其中，TLB重填異常時需遍歷頁表進(jìn)行重填工作。TLB重填異常于一般的異常不同，其擁有獨(dú)立的異常入口、獨(dú)立的用于維護(hù)現(xiàn)場的控制狀態(tài)寄存器和一套獨(dú)立的TLB訪問接口控制寄存器，并且因此TLB重填異?？梢栽谄渌惓Ｌ幚磉^程中被觸發(fā)。而當(dāng)進(jìn)入TLB重填異常時，硬件會自動設(shè)置CSR.CRMD.DA=1和CSR.CRMD.PG=0，即進(jìn)入直接地址翻譯模式，從而避免在TLB重填異常中不能再次產(chǎn)生TLB重填異常。

而如load操作頁無效異常等異常，則需要完成類似于page fault的工作。

4、相關(guān)指令

在介紹TLB相關(guān)異常的處理之前，先對loongarch中相關(guān)的指令進(jìn)行介紹。

（1）TLB異常處理相關(guān)指令

  • tlbsrch：查詢TLB對應(yīng)index。該指令使用CSR.ASID和CSR.TLBEHI中的信息查詢TLB，如果命中則將其對應(yīng)index寫入CSR.TLBIDX.Index，否則將CSR.TLBIDX.NE置為1。index可用于tlbwr等指令，指示操作的TLB索引。
  • tlbrd：讀取index對應(yīng)TLB表項(xiàng)。將CSR.TLBIDX.Index作為索引，讀取TLB中的指定項(xiàng)。如果該TLB項(xiàng)有效，則將該TLB項(xiàng)的頁表項(xiàng)信息寫入到CSR.TLBEHI、CSR.TLBELO0、CSR.TLBELO1和CSR.TLBINX.PS這些相關(guān)寄存器，并將CSR.TLBIND.NE置0；如果無效，則將CSR.TLBIND.NE置1。
  • tlbwr：寫入index對應(yīng)TLB表項(xiàng)。將CSR.TLBIDX.Index作為索引，把CSR.TLBEHI、CSR.TLBELO0、CSR.TLBELO1和CSR.TLBINX.PS這些相關(guān)寄存器中的頁表項(xiàng)信息寫入TLB中的指定項(xiàng)。其中，如果CSR.TLBIND.NE置為1，寫入的是一個無效TLB項(xiàng)。
  • tlbfill：類似于tlbwr指令，不同的是tlbfill寫入TLB位置由硬件隨機(jī)決定。

具體案例可見后文相關(guān)代碼分析。

（2）頁表遍歷相關(guān)指令

  • lddir rd, rj, level：訪問頁目錄項(xiàng)。
  • level表示訪問頁表的級別。參考上一篇文章中的頁表分級。level為1-4分別對應(yīng)CSR.PWCL中的PT、Dir1、Dir2、Dir3。
  • 如果通用寄存器rj中第6位是0，則rj表示第level級頁表的基址。此時lddir指令會根據(jù)當(dāng)前處理的TLB重填地址訪問level級頁表，取回對應(yīng)level-1級頁表的基址到rd中。
  • 如果通用寄存器rj中第6位是1，則rj為一個大頁的頁表項(xiàng)。此時lddir指令會直接將rj寫入到rd中。
  • ldpte rj, req：訪問頁表項(xiàng)。
  • seq表示訪問的是奇數(shù)頁還是偶數(shù)頁。訪問偶數(shù)頁時結(jié)果將寫入CSR.TLBRELO0，訪問奇數(shù)頁時結(jié)果將寫入CSR.TLBRELO1。
  • 如果通用寄存器rj中第6位是0，則rj表示末級頁表的基址。此時ldpte指令會根據(jù)當(dāng)前處理的TLB重填地址訪問末級頁表，取回對應(yīng)頁表項(xiàng)到CSR.TLBRELO0或CSR.TLBRELO1中。
  • 如果通用寄存器rj中第6位是1，則rj為一個大頁的頁表項(xiàng)。此時lddir指令會直接將rj轉(zhuǎn)換為最終的頁表項(xiàng)格式寫入到CSR.TLBRELO0或CSR.TLBRELO1中。

具體案例可見后文相關(guān)代碼分析。

5、TLB相關(guān)異常處理

下面結(jié)合linux源碼對TLB相關(guān)異常處理進(jìn)行分析。

linux中TLB相關(guān)異常和相關(guān)處理函數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如下：

  • TLB重填異常：handle_tlb_refill
  • load/取指操作頁無效異常：handle_tlb_load
  • store操作頁無效異常：handle_tlb_store
  • 頁修改異常：handle_tlb_modify
  • 頁不可讀/不可寫/特權(quán)不合規(guī)異常：handle_tlb_protect

這里分析handle_tlb_refill、handle_tlb_load和handle_tlb_protect函數(shù)。其中handle_tlb_store和handle_tlb_modify實(shí)際上流程與handle_tlb_load基本一致，只是更新頁表項(xiàng)時更新的位不同。

（1）TLB重填異常

TLB重填異常（handle_tlb_refill）觸發(fā)前后硬件中的處理與一般異常存在差異，主要是TLB重填異常相關(guān)有獨(dú)立的一套寄存器。但都會有相應(yīng)保存和恢復(fù)現(xiàn)場、跳轉(zhuǎn)和返回操作。值得注意的是，TLB重填異常中出錯的地址保存在CSR.TLBRBADV寄存器，而一般異常出錯的地址保存在CSR.BADV寄存器。

TLB重填異常的軟件處理過程如下：

  1. 保存現(xiàn)場
  2. 根據(jù)CSR.TLBRBADV中記錄的缺失虛擬地址，和CSR.PGD中pgd基址，遍歷發(fā)生TLB重填異常的進(jìn)程的多級頁表，從內(nèi)存中取回頁表項(xiàng)信息并填入CSR.TLBELO0和CSR.TLBELO1寄存器的相應(yīng)域中
  3. 根據(jù)填入的CSR.TLBELO0和CSR.TLBELO1寄存器信息，最終用tlbfill指令將頁表項(xiàng)填入TLB
  4. 恢復(fù)并返回

代碼分析如下：

SYM_FUNC_START(handle_tlb_refill)
    csrwr   t0, LOONGARCH_CSR_TLBRSAVE // 將t0保存到CSR.TLBRSAVE寄存器
    csrrd   t0, LOONGARCH_CSR_PGD // 讀取pgd基址到t0
    lddir   t0, t0, 3 // 根據(jù)CSR.TLBRBADV中記錄的缺失虛擬地址，
                      // 訪問3級頁表，讀取2級頁表基址到t0（pgd為3級頁表基址）
#if CONFIG_PGTABLE_LEVELS > 3
    lddir   t0, t0, 2 // 根據(jù)CSR.TLBRBADV中記錄的缺失虛擬地址，
                      // 訪問2級頁表，讀取1級頁表基址到t0
#endif
#if CONFIG_PGTABLE_LEVELS > 2
    lddir   t0, t0, 1 // 根據(jù)CSR.TLBRBADV中記錄的缺失虛擬地址，
                      // 訪問1級頁表，讀取末級頁表地址或大頁到t0
#endif
    ldpte   t0, 0 // 根據(jù)CSR.TLBRBADV中記錄的缺失虛擬地址，
                  // 訪問末級頁表或大頁，讀取偶數(shù)號頁表項(xiàng)或大頁到CSR.TLBELO0
    ldpte   t0, 1 // 根據(jù)CSR.TLBRBADV中記錄的缺失虛擬地址，
                  // 訪問末級頁表或大頁，讀取奇數(shù)號頁表項(xiàng)或大頁到CSR.TLBELO1
    tlbfill // 根據(jù)CSR.TLBELO0、CSR.TLBELO1等寄存器中信息，
            // 將頁表項(xiàng)填入TLB
    csrrd   t0, LOONGARCH_CSR_TLBRSAVE // 恢復(fù)t0
    ertn // 從異常返回
SYM_FUNC_END(handle_tlb_refill)

（2）load/取指操作頁無效異常

load/取指操作頁無效異常觸發(fā)前后硬件中的處理與一般異常相同。

handle_tlb_load處理的過程如下：

  1. 保存現(xiàn)場
  2. 根據(jù)CSR.BADV中記錄的缺失虛擬地址，和CSR.PGD中pgd基址，遍歷發(fā)生異常的進(jìn)程的多級頁表，從內(nèi)存中取回頁表項(xiàng)（或大頁）信息
  3. 判斷該頁表項(xiàng)是否存在，如果不存在則會跳轉(zhuǎn)執(zhí)行缺頁處理函數(shù)
  4. 如果存在則將頁表項(xiàng)置為有效并填入TLB。最后恢復(fù)并返回

代碼分析如下：

SYM_FUNC_START(handle_tlb_load)
    // 將t0、t1、ra寫入CSR.SAVE0-CSR.SAVE3，暫存寄存器
    csrwr        t0, EXCEPTION_KS0
    csrwr        t1, EXCEPTION_KS1
    csrwr        ra, EXCEPTION_KS2
    /*
     * The vmalloc handling is not in the hotpath.
     */
    // 如果CSR.BADV不小于0，則繼續(xù)執(zhí)行到vmalloc_done_load
    // 將CSR.BADV和CSR.PGDL讀入t0和t1
    // 否則跳轉(zhuǎn)到vmalloc_load將CSR.BADV和swapper_pg_dir讀入t0和t1
    // 即CSR.BADV不小于0時使用低半部分內(nèi)核地址的pgd，
    // 否則使用高半部分用戶地址的pgd
    csrrd        t0, LOONGARCH_CSR_BADV
    bltz        t0, vmalloc_load
    csrrd        t1, LOONGARCH_CSR_PGDL
vmalloc_done_load:
    /* Get PGD offset in bytes */
    // 根據(jù)t0中CSR.BADV地址和t1中pgd基址，遍歷頁表查找
    bstrpick.d    ra, t0, PTRS_PER_PGD_BITS + PGDIR_SHIFT - 1, PGDIR_SHIFT
    alsl.d        t1, ra, t1, 3
#if CONFIG_PGTABLE_LEVELS > 3
    ld.d        t1, t1, 0
    bstrpick.d    ra, t0, PTRS_PER_PUD_BITS + PUD_SHIFT - 1, PUD_SHIFT
    alsl.d        t1, ra, t1, 3
#endif
#if CONFIG_PGTABLE_LEVELS > 2
    ld.d        t1, t1, 0
    bstrpick.d    ra, t0, PTRS_PER_PMD_BITS + PMD_SHIFT - 1, PMD_SHIFT
    alsl.d        t1, ra, t1, 3
    // 到這里t1中為1級頁表（pmd）地址
#endif
    // 將1級頁表中第一個表項(xiàng)讀取到ra
    ld.d        ra, t1, 0
    /*
     * For huge tlb entries, pmde doesn't contain an address but
     * instead contains the tlb pte. Check the PAGE_HUGE bit and
     * see if we need to jump to huge tlb processing.
     */
    // 如果ra中表項(xiàng)為大頁，則跳轉(zhuǎn)到tlb_huge_update_load
    rotri.d        ra, ra, _PAGE_HUGE_SHIFT + 1
    bltz        ra, tlb_huge_update_load

    rotri.d        ra, ra, 64 - (_PAGE_HUGE_SHIFT + 1)
    bstrpick.d    t0, t0, PTRS_PER_PTE_BITS + PAGE_SHIFT - 1, PAGE_SHIFT
    alsl.d        t1, t0, ra, _PTE_T_LOG2
    // 到這里t1中為CSR.BADV對應(yīng)末級頁表項(xiàng)地址

    // 讀取頁表項(xiàng)到t0
#ifdef CONFIG_SMP
smp_pgtable_change_load:
    ll.d        t0, t1, 0 // smp中使用ll/sc原子指令對循環(huán)寫入
#else
    ld.d        t0, t1, 0
#endif
    // 如果頁表項(xiàng)不存在，則跳轉(zhuǎn)到nopage_tlb_load調(diào)用缺頁處理函數(shù)
    // 否則繼續(xù)向下執(zhí)行，寫入對應(yīng)有效的頁表項(xiàng)到TLB
    andi        ra, t0, _PAGE_PRESENT
    beqz        ra, nopage_tlb_load

    // 設(shè)置有效位并更新頁表項(xiàng)
    ori        t0, t0, _PAGE_VALID
#ifdef CONFIG_SMP
    sc.d        t0, t1, 0
    beqz        t0, smp_pgtable_change_load // 寫入失敗時跳轉(zhuǎn)
#else
    st.d        t0, t1, 0
#endif    
    // 根據(jù)CSR.ASID和CSR.TLBEHI的信息查詢TLB，以便tlbwr指令寫入
    // 如果命中則將其索引寫入CSR.TLBIDX，否則將CSR.TLBIDX.NE置為1
    // 這里必然會命中
    tlbsrch

    // t0 = 偶數(shù)項(xiàng)頁表項(xiàng)，t1 = 奇數(shù)項(xiàng)頁表項(xiàng)
    bstrins.d    t1, zero, 3, 3
    ld.d        t0, t1, 0
    ld.d        t1, t1, 8
    // 寫入TLB相關(guān)寄存器
    csrwr        t0, LOONGARCH_CSR_TLBELO0
    csrwr        t1, LOONGARCH_CSR_TLBELO1
    // 根據(jù)CSR.TLBELO0、CSR.TLBELO1、CSR.TBLIDX等相關(guān)寄存器信息，
    // 將頁表項(xiàng)信息寫入TLB中CSR.TBLIDX.index對應(yīng)位置
    tlbwr
    // 恢復(fù)并返回
    csrrd        t0, EXCEPTION_KS0
    csrrd        t1, EXCEPTION_KS1
    csrrd        ra, EXCEPTION_KS2
    ertn
#ifdef CONFIG_64BIT
vmalloc_load:
    la.abs        t1, swapper_pg_dir
    b        vmalloc_done_load
#endif
    /* This is the entry point of a huge page. */
tlb_huge_update_load:
    // 對于大頁，異常處理的流程和上面基本頁表項(xiàng)的處理流程基本一致
    // 只是填入TLB時會做一些額外的格式轉(zhuǎn)換處理等，這里不再贅述
    ...
nopage_tlb_load:
    dbar        0
    csrrd        ra, EXCEPTION_KS2
    la.abs        t0, tlb_do_page_fault_0
    jr        t0
SYM_FUNC_END(handle_tlb_load)

（3）頁不可讀/不可寫/特權(quán)不合規(guī)異常

頁不可讀/不可寫/特權(quán)不合規(guī)異常觸發(fā)前后硬件中的處理與一般異常相同。

handle_tlb_protect處理的過程實(shí)際上就是調(diào)用缺頁處理函數(shù)，來填入頁表。

代碼分析如下：

SYM_FUNC_START(handle_tlb_protect)
    // 保存寄存器
    BACKUP_T0T1
    SAVE_ALL
    // 設(shè)置傳參
    move    a0, sp
    move    a1, zero
    csrrd    a2, LOONGARCH_CSR_BADV
    REG_S    a2, sp, PT_BVADDR
    // 調(diào)用do_page_fault
    la.abs    t0, do_page_fault
    jirl    ra, t0, 0
    // 恢復(fù)并返回
    RESTORE_ALL_AND_RET
SYM_FUNC_END(handle_tlb_protect)

總結(jié)

本文介紹了loongarch架構(gòu)中軟件管理TLB的機(jī)制、TLB重填異常和其他TLB相關(guān)的異常，以及相應(yīng)的異常處理和代碼分析。

軟件管理TLB機(jī)制、處理TLB相關(guān)異常，算是loongarch架構(gòu)中TLB相關(guān)軟件維護(hù)中較為特別的地方。下一篇文章將繼續(xù)介紹loongarch中其他的TLB維護(hù)和相關(guān)指令。

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