ASID 与 MIPS 中 TLB 相关

ASID

• 为了提高TLB的性能，将TLB分成Global和process-specific。global 是指常驻在tlb中不会被刷出的，例如内核空间的翻译，process-specific 是指每个进程独有的地址空间，当发生进程切换的时候，这部分tlb可以被刷出，为了支持process-specific的tlb，arm提出了ASID（Adress Space ID）的硬件解决方案，这样TLB就可以识别出这个 TLB 页表项是属于哪一个进程的。
• 在 MIPS 中，有两个地方会出现ASID，每一个TLB表项会有一个ASID，标识这个表项是属于哪一个进程的，CP0_EntryHI 中的ASID是当前进程的ASID，所以进程对TLB的查询操作，即使VPN命中，但若该表项不是global且ASID与CP0_EntryHi的ASID不一致，则也视作TLB缺失 -- 这样就不用每次切换进程都要 flush 所有 tlb

MIPS 中 TLB/MMU 相关寄存器

TLB 关键字域

• EntryHi 包含 VPN2 和 ASID 字段
  • VPN2 就是 TLB 表项对应的虚拟页表号，在 MIPS 设计中，一个 TLB 表项存储的是两个相邻虚拟页对应的物理页框号，所以 VPN2 只有 21 位（除去页内偏移12位和第13位）
  • ASID 字段，是当前进程的ASID，在对 TLB 访问查询中起到验证的作用（具体见 ASID 部分）。
• EntryLo0-1
  • PFN 对应的物理页框号
  • D(dirty) 标志位，置位时允许写入；0 不允许写入，若写入则发生异常
  • V(valid) 有效位
  • G(global) 表明该 TLB 表项是全局的还是属于特定进程的，若是全局的，则对该 TLB 表项的读取都会无视 ASID 是否匹配
• EntryHi 与 EntryLo 一道负责 TLB 的写入与读取操作，tlbr 将读到的 TLB 表项写入 EntryHi（注意这一步会覆盖原本的 ASID，执行之后需要恢复）与 EntryLo 之中。
• PageMask
  • 用于支持更大的页，PageMask 寄存器值为 1 的位，在执行 TLB 表项匹配时被忽略（即 PageMask 寄存器值为 1 的位被视作页内偏移位），如: PageMask 低 12 位为 1，则表明页大小为 4KB。
  • 另外，在 MIPS 体系中，页的大小在 4KB 和 16MB 之间以四倍递增。

TLB 选择寄存器

• index
  • 值为 0 到 表项总数 - 1 之间的一个数，用于指出 tlbr、tlbwi 读写的是第几个 TLB 表项。
• Random
  • 保存 TLB 的一个索引，CPU 每执行一条指令就向下递减计数一次，该值充当 tlbwr 的 TLB 索引，在需要更新 TLB 时，帮助实现随机替换策略。

页表存取辅助寄存器

• Context 和 XContext

  • 辅助处理 TLB 重填异常，其中 XContext 是 MIPS64 位中增加的
  • 32位的 Context 数据域为：

  31 - 23	22 - 4	3 - 0
  PTEBase	BADVPN2	0

  • PTEBase 存储页表空间的起始地址（因为起始地址是 8M 对齐）
  • BADVPN2 是 BADAddr 的 VPN2 域，BADAddr 是引起重填异常的虚拟地址
  • 实际上 32 位中一个页表项只有 64 位大（VPN2 下），但是 MIPS 为了与 64 位页表兼容，预留成 2*64 位大
  • 因为 PTEBase 是页表空间的起始地址，BADVPN2 标明该 BADAddr 所对应的是第 BADVNP2 个页表项，故 BADVPN << 4 就是 BADAddr 对应的页表项相对于页表空间起始地址的偏移，所以当发生重填异常的时候，Context 存储的就是对应页表项的虚拟地址，即需要加载到 EntryLo0-1中的数据项的地址。所以依靠 Context 的辅助，能够极大程度的简化重填异常处理的过程。

TLB 重填异常处理

mfc0 k1, C0_CONTEXT
lw 	 k0, 0(k1)
lw   k1, 8(k1)
mtc0 k0, C0_ENTRYLO0
mtc0 k1, C0_ENTRYLO1
ehb
tlbwr
eret

• ehb 汇编指令用于保证 ehb 之前对协处理器 0 的操作都会在执行该条指令之后指令时已完成

参考资料：See MIPS Run Linux (2nd edition)