基于多页的龙芯2F软TLB重载入异常处理改进

摘  要： 龙芯2F系统在TLB替换处理上开销较大，现有软TLB技术从减少TLB重载入异常处理时间方面考虑，利用软TLB来缓存TLB表项，提高替换处理中Cached命中率，减少了重载入异常处理时间。为进一步提高TLB效率，设计采用多页技术提高TLB的覆盖率，减少TLB替换次数，进而减少重载入异常处理的次数，达到提高系统性能的目的。
关键词： TLB；重载入异常处理；多页技术；龙芯2F
   　随着软件规模增大，内存需求越来越大。现代系统提出虚空间的概念，软件运行在独立的虚空间中，被访问时才从物理内存中建立与之对应的空间。TLB(Translate Look-aside Buffer)是加速线性地址向物理地址转换的缓冲器，即缓存最近使用过的页的物理地址。使用线性地址和TLB中的存储项进行比较，如果相同就直接获得目标页的物理地址，不需要访问外存，这样可大大提高地址转换速度。
　龙芯2F是中科院计算所自主研发的高性能通用64位处理器[1]，在龙芯2F的Linux系统中，最占TLB替换处理时间的就是访存操作，减少访存操作就可提高TLB使用效率，从而提高龙芯2F的整体系统性能。现有软TLB技术可减少TLB替换处理时间，多页技术的采用更可以减少TLB替换次数，从而进一步提高TLB替换效率，帮助对龙芯2F系统进行优化。
1 龙芯2F TLB重载入异常处理
　龙芯2F系统采用Debian Linux，其TLB只负责地址转译，表项维护由操作系统负责，所以表页发生修改时TLB内容必须被及时更新[2]。Linux系统通过flush_tlb_all、flush_tlb_mm、flush_tlb_page、flush_tlb_range等函数来操作TLB内容。龙芯2F为了提高TLB重载入异常处理效率，提供了两个TLB专用寄存器K0和K1，这样在进入重载入异常处理时就不需要对用户寄存器进行保存，从而减少操作时间。
TLB重载入异常处理流程为：进入重载入异常处理后，首先获取该进程页全局目录首地址，取得页全局目录和页中间目录内容，然后获取两个连续页表项用来进行TLB替换写入，处理完毕后返回异常处理现场。
2 软TLB处理实现
　龙芯2F系统为64位，页表为3级页表，且操作地址不连续，每次访问三级页表内容时，TLB重载入需要5次访存操作，产生3次左右的Cache失效，使得TLB重载入异常处理时间大大加长。
龙芯2F系统中设计用软TLB技术来减少TLB替换处理时间，软TLB技术在内存空间中开辟出一个全局TLB缓冲区域，作为硬件TLB的缓存，在系统进行TLB表项替换前，要先查询该TLB缓冲区，如果所查内容在缓冲区内，则将内容写入TLB，如果查询不到，则按照原来的TLB查询过程进行查询。所以只访问一次缓冲区且访存操作连续的软TLB方法产生Cache失效的几率被大大降低了[3]。如果软TLB查询失败，该次查询只会造成系统多作一次访问操作的额外开销，因此软TLB技术减少TLB替换处理时间的重点在于提高软TLB查询命中率。图1为龙芯2F软TLB重载入异常处理流程。
   
   　系统在修改页表项时，除修改硬件TLB对应项外，还要查询该页表项是否缓存于软TLB中，若已有缓冲则修改软TLB中的页表项，否则就将该TLB表项缓存入软TLB中。
3 分页对Linux系统的影响
　龙芯2F采用软硬协同实现内存管理，硬件完成TLB地址转译，软件完成TLB表项替换。为了增大TLB的覆盖率，必须增加每项TLB表项的覆盖范围，系统设计每个表项可以有不同的分页大小，从4 KB~16 MB按4倍增长。CP0寄存器PageMask用于记录映射的页的大小，并且这个记录在写一个新的表项的同时载入TLB中[1]。因此操作系统可以支持不同大小的页表项以适用于不同的目的，然而在同一运行的时刻只能是固定大小的页。
　当TLB表项均采用4 KB分页大小时，TLB可为512 KB的地址进行转译；16 MB分页大小时可为2 GB地址进行转译。对于某个运算集合在4 MB和8 MB之间的程序来说，如果分页大小为32 KB，则在运算集合大于4 MB时TLB重载入异常处理会大量产生，TLB替换次数会大量增加。如果分页大小为64 KB，TLB就可以覆盖整个8 MB运算集合，会大大减少TLB重载入异常的发生。但是分页也不是越大越好，例如文件系统I/O操作与TLB无关，如果用户读取数据小于页大小，分页过大反而会增加系统I/O操作[4]；同样，大的分页会使得系统每个进程所需资源增加，使系统能支持的进程数减少，降低系统多进程的性能；大页还会造成内存使用紧张，碎片增多，页的换入换出操作增多，降低系统内存使用率。
　不同分页大小对系统TLB重载入异常处理和替换次数有不同影响，进而对系统性能有不同影响，所以应根据不同应用需求采用不同页大小。
4 多页技术的实现
　多页技术针对TLB每个表项可分配页大小，根据实际需求按需分配页大小，该页大小信息保存在页表项中，用户申请大空间时用大页进行分配，申请小空间时用小页进行分配，有利于减少内存碎片。系统最小的页被定为基本页，其他不同大小的页用多个连续的基本页来表示，在TLB页表项中有页大小的信息项。由于线性区内映射的TLB表项中的页属性在页分配时并不分析该页所属线性区内的其他页信息，所以在建立线性空间时就要将用户所需的页大小信息保存入页表中，进行页分配时再根据信息进行不同大小的页分配。
　多页技术主要通过修改Linux系统内存管理子系统实现。线性空间建立主要通过Linux内存分配函数mmap()实现，应用软件的代码段和数据段均通过mmap()实现线性空间的建立，并和文件系统关联，使得线性空间成为文件内容的映射区域[5]。要实现多页技术需要对mmap()进行修改，为了方便大页的产生，在查找空闲的线性空间时，要根据申请空间大小找到满足条件的页大小对齐的线性地址，如果找不到，则从大到小进行页对齐。在线性空间分配完成后，要建立多页属性的页表，根据传入的线性空间大小，尽量采用大页，将分配好的页信息保存至TLB页表项的页大小区域内。
　完成线性空间建立后，根据用户需求来决定页大小并将页信息存入页表中，根据这些信息进行实际页分配。Linux系统有页缓存页和匿名页两种页面，为了实现多页技术，需对这两种页面的分配进行修改。多页技术的修改主要在于对原有页分配函数进行修改替换，通过对filemap_nopage()函数的修改实现将分配大页后的文件数据读入到连续页缓存中，通过对do_no_page()函数的修改实现页表的建立。具体多页申请分配流程见图2。