摘  要： 龍芯2F系統(tǒng)在TLB替換處理上開銷較大，現(xiàn)有軟TLB技術從減少TLB重載入異常處理時間方面考慮，利用軟TLB來緩存TLB表項，提高替換處理中Cached命中率，減少了重載入異常處理時間。為進一步提高TLB效率，設計采用多頁技術提高TLB的覆蓋率，減少TLB替換次數(shù)，進而減少重載入異常處理的次數(shù)，達到提高系統(tǒng)性能的目的。
關鍵詞： TLB；重載入異常處理；多頁技術；龍芯2F 

　隨著軟件規(guī)模增大，內(nèi)存需求越來越大?，F(xiàn)代系統(tǒng)提出虛空間的概念，軟件運行在獨立的虛空間中，被訪問時才從物理內(nèi)存中建立與之對應的空間。TLB(Translate Look-aside Buffer)是加速線性地址向物理地址轉(zhuǎn)換的緩沖器，即緩存最近使用過的頁的物理地址。使用線性地址和TLB中的存儲項進行比較，如果相同就直接獲得目標頁的物理地址，不需要訪問外存，這樣可大大提高地址轉(zhuǎn)換速度。
　龍芯2F是中科院計算所自主研發(fā)的高性能通用64位處理器[1]，在龍芯2F的Linux系統(tǒng)中，最占TLB替換處理時間的就是訪存操作，減少訪存操作就可提高TLB使用效率，從而提高龍芯2F的整體系統(tǒng)性能?，F(xiàn)有軟TLB技術可減少TLB替換處理時間，多頁技術的采用更可以減少TLB替換次數(shù)，從而進一步提高TLB替換效率，幫助對龍芯2F系統(tǒng)進行優(yōu)化。
1 龍芯2F TLB重載入異常處理
　龍芯2F系統(tǒng)采用Debian Linux，其TLB只負責地址轉(zhuǎn)譯，表項維護由操作系統(tǒng)負責，所以表頁發(fā)生修改時TLB內(nèi)容必須被及時更新[2]。Linux系統(tǒng)通過flush_tlb_all、flush_tlb_mm、flush_tlb_page、flush_tlb_range等函數(shù)來操作TLB內(nèi)容。龍芯2F為了提高TLB重載入異常處理效率，提供了兩個TLB專用寄存器K0和K1，這樣在進入重載入異常處理時就不需要對用戶寄存器進行保存，從而減少操作時間。
TLB重載入異常處理流程為：進入重載入異常處理后，首先獲取該進程頁全局目錄首地址，取得頁全局目錄和頁中間目錄內(nèi)容，然后獲取兩個連續(xù)頁表項用來進行TLB替換寫入，處理完畢后返回異常處理現(xiàn)場。
2 軟TLB處理實現(xiàn)
　龍芯2F系統(tǒng)為64位，頁表為3級頁表，且操作地址不連續(xù)，每次訪問三級頁表內(nèi)容時，TLB重載入需要5次訪存操作，產(chǎn)生3次左右的Cache失效，使得TLB重載入異常處理時間大大加長。
龍芯2F系統(tǒng)中設計用軟TLB技術來減少TLB替換處理時間，軟TLB技術在內(nèi)存空間中開辟出一個全局TLB緩沖區(qū)域，作為硬件TLB的緩存，在系統(tǒng)進行TLB表項替換前，要先查詢該TLB緩沖區(qū)，如果所查內(nèi)容在緩沖區(qū)內(nèi)，則將內(nèi)容寫入TLB，如果查詢不到，則按照原來的TLB查詢過程進行查詢。所以只訪問一次緩沖區(qū)且訪存操作連續(xù)的軟TLB方法產(chǎn)生Cache失效的幾率被大大降低了[3]。如果軟TLB查詢失敗，該次查詢只會造成系統(tǒng)多作一次訪問操作的額外開銷，因此軟TLB技術減少TLB替換處理時間的重點在于提高軟TLB查詢命中率。圖1為龍芯2F軟TLB重載入異常處理流程。

　系統(tǒng)在修改頁表項時，除修改硬件TLB對應項外，還要查詢該頁表項是否緩存于軟TLB中，若已有緩沖則修改軟TLB中的頁表項，否則就將該TLB表項緩存入軟TLB中。
3 分頁對Linux系統(tǒng)的影響
　龍芯2F采用軟硬協(xié)同實現(xiàn)內(nèi)存管理，硬件完成TLB地址轉(zhuǎn)譯，軟件完成TLB表項替換。為了增大TLB的覆蓋率，必須增加每項TLB表項的覆蓋范圍，系統(tǒng)設計每個表項可以有不同的分頁大小，從4 KB~16 MB按4倍增長。CP0寄存器PageMask用于記錄映射的頁的大小，并且這個記錄在寫一個新的表項的同時載入TLB中[1]。因此操作系統(tǒng)可以支持不同大小的頁表項以適用于不同的目的，然而在同一運行的時刻只能是固定大小的頁。
　當TLB表項均采用4 KB分頁大小時，TLB可為512 KB的地址進行轉(zhuǎn)譯；16 MB分頁大小時可為2 GB地址進行轉(zhuǎn)譯。對于某個運算集合在4 MB和8 MB之間的程序來說，如果分頁大小為32 KB，則在運算集合大于4 MB時TLB重載入異常處理會大量產(chǎn)生，TLB替換次數(shù)會大量增加。如果分頁大小為64 KB，TLB就可以覆蓋整個8 MB運算集合，會大大減少TLB重載入異常的發(fā)生。但是分頁也不是越大越好，例如文件系統(tǒng)I/O操作與TLB無關，如果用戶讀取數(shù)據(jù)小于頁大小，分頁過大反而會增加系統(tǒng)I/O操作[4]；同樣，大的分頁會使得系統(tǒng)每個進程所需資源增加，使系統(tǒng)能支持的進程數(shù)減少，降低系統(tǒng)多進程的性能；大頁還會造成內(nèi)存使用緊張，碎片增多，頁的換入換出操作增多，降低系統(tǒng)內(nèi)存使用率。
　不同分頁大小對系統(tǒng)TLB重載入異常處理和替換次數(shù)有不同影響，進而對系統(tǒng)性能有不同影響，所以應根據(jù)不同應用需求采用不同頁大小。
4 多頁技術的實現(xiàn)
　多頁技術針對TLB每個表項可分配頁大小，根據(jù)實際需求按需分配頁大小，該頁大小信息保存在頁表項中，用戶申請大空間時用大頁進行分配，申請小空間時用小頁進行分配，有利于減少內(nèi)存碎片。系統(tǒng)最小的頁被定為基本頁，其他不同大小的頁用多個連續(xù)的基本頁來表示，在TLB頁表項中有頁大小的信息項。由于線性區(qū)內(nèi)映射的TLB表項中的頁屬性在頁分配時并不分析該頁所屬線性區(qū)內(nèi)的其他頁信息，所以在建立線性空間時就要將用戶所需的頁大小信息保存入頁表中，進行頁分配時再根據(jù)信息進行不同大小的頁分配。
　多頁技術主要通過修改Linux系統(tǒng)內(nèi)存管理子系統(tǒng)實現(xiàn)。線性空間建立主要通過Linux內(nèi)存分配函數(shù)mmap()實現(xiàn)，應用軟件的代碼段和數(shù)據(jù)段均通過mmap()實現(xiàn)線性空間的建立，并和文件系統(tǒng)關聯(lián)，使得線性空間成為文件內(nèi)容的映射區(qū)域[5]。要實現(xiàn)多頁技術需要對mmap()進行修改，為了方便大頁的產(chǎn)生，在查找空閑的線性空間時，要根據(jù)申請空間大小找到滿足條件的頁大小對齊的線性地址，如果找不到，則從大到小進行頁對齊。在線性空間分配完成后，要建立多頁屬性的頁表，根據(jù)傳入的線性空間大小，盡量采用大頁，將分配好的頁信息保存至TLB頁表項的頁大小區(qū)域內(nèi)。
　完成線性空間建立后，根據(jù)用戶需求來決定頁大小并將頁信息存入頁表中，根據(jù)這些信息進行實際頁分配。Linux系統(tǒng)有頁緩存頁和匿名頁兩種頁面，為了實現(xiàn)多頁技術，需對這兩種頁面的分配進行修改。多頁技術的修改主要在于對原有頁分配函數(shù)進行修改替換，通過對filemap_nopage()函數(shù)的修改實現(xiàn)將分配大頁后的文件數(shù)據(jù)讀入到連續(xù)頁緩存中，通過對do_no_page()函數(shù)的修改實現(xiàn)頁表的建立。具體多頁申請分配流程見圖2。

　現(xiàn)有龍芯Linux操作系統(tǒng)軟件規(guī)模日益增大與TLB覆蓋空間小的矛盾，使得系統(tǒng)在TLB替換處理上開銷很大，需要在系統(tǒng)內(nèi)存管理方面進行性能優(yōu)化[6]。通過軟件TLB重載入異常處理實現(xiàn)了TLB替換處理中命中率的提高，減少了處理時間。根據(jù)用戶需求進行分配的多頁技術進一步改進了軟TLB重載入異常處理，提高了TLB覆蓋率，減少了重載入異常處理次數(shù)，能夠發(fā)揮各種頁大小的優(yōu)勢，使得系統(tǒng)性能得到明顯提升。
參考文獻
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