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(shù)從減少TLB重載入異常處理時(shí)間方面考慮，利用軟TLB來緩存TLB表項(xiàng)，提高替換處理中Cached命中率，減少了重載入異常處理時(shí)間。為進(jìn)一步提高TLB效率，設(shè)計(jì)采用多頁(yè)技術(shù)提高TLB的覆蓋率，減少TLB替換次數(shù)，進(jìn)而減少重載入異常處理的次數(shù)，達(dá)到提高系統(tǒng)性能的目的。
關(guān)鍵詞： TLB；重載入異常處理；多頁(yè)技術(shù)；龍芯2F 

　隨著軟件規(guī)模增大，內(nèi)存需求越來越大。現(xiàn)代系統(tǒng)提出虛空間的概念，軟件運(yùn)行在獨(dú)立的虛空間中，被訪問時(shí)才從物理內(nèi)存中建立與之對(duì)應(yīng)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(yè)的物理地址。使用線性地址和TLB中的存儲(chǔ)項(xiàng)進(jìn)行比較，如果相同就直接獲得目標(biāo)頁(yè)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(jì)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(shí)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(shù)可減少TLB替換處理時(shí)間，多頁(yè)技術(shù)的采用更可以減少TLB替換次數(shù)，從而進(jìn)一步提高TLB替換效率，幫助對(duì)龍芯2F系統(tǒng)進(jìn)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(fù)責(zé)地址轉(zhuǎn)譯，表項(xiàng)維護(hù)由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)，所以表頁(yè)發(fā)生修改時(shí)TLB內(nèi)容必須被及時(shí)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(gè)TLB專用寄存器K0和K1，這樣在進(jìn)入重載入異常處理時(shí)就不需要對(duì)用戶寄存器進(jìn)行保存，從而減少操作時(shí)間。
TLB重載入異常處理流程為：進(jìn)入重載入異常處理后，首先獲取該進(jìn)程頁(yè)全局目錄首地址，取得頁(yè)全局目錄和頁(yè)中間目錄內(nèi)容，然后獲取兩個(gè)連續(xù)頁(yè)表項(xiàng)用來進(jìn)行TLB替換寫入，處理完畢后返回異常處理現(xiàn)場(chǎng)。
2 軟TLB處理實(shí)現(xiàn)
　龍芯2F系統(tǒng)為64位，頁(yè)表為3級(jí)頁(yè)表，且操作地址不連續(xù)，每次訪問三級(jí)頁(yè)表內(nèi)容時(shí)，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(shí)間大大加長(zhǎng)。
龍芯2F系統(tǒng)中設(shè)計(jì)用軟TLB技術(shù)來減少TLB替換處理時(shí)間，軟TLB技術(shù)在內(nèi)存空間中開辟出一個(gè)全局TLB緩沖區(qū)域，作為硬件TLB的緩存，在系統(tǒng)進(jìn)行TLB表項(xiàng)替換前，要先查詢?cè)揟LB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(jìn)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(huì)造成系統(tǒng)多作一次訪問操作的額外開銷，因此軟TLB技術(shù)減少TLB替換處理時(shí)間的重點(diǎn)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(yè)表項(xiàng)時(shí)，除修改硬件TLB對(duì)應(yīng)項(xiàng)外，還要查詢?cè)擁?yè)表項(xiàng)是否緩存于軟TLB中，若已有緩沖則修改軟TLB中的頁(yè)表項(xiàng)，否則就將該TLB表項(xiàng)緩存入軟TLB中。
3 分頁(yè)對(duì)Linux系統(tǒng)的影響
　龍芯2F采用軟硬協(xié)同實(shí)現(xiàn)內(nèi)存管理，硬件完成TLB地址轉(zhuǎn)譯，軟件完成TLB表項(xiàng)替換。為了增大TLB的覆蓋率，必須增加每項(xiàng)TLB表項(xiàng)的覆蓋范圍，系統(tǒng)設(shè)計(jì)每個(gè)表項(xiàng)可以有不同的分頁(yè)大小，從4 KB~16 MB按4倍增長(zhǎng)。CP0寄存器PageMask用于記錄映射的頁(yè)的大小，并且這個(gè)記錄在寫一個(gè)新的表項(xiàng)的同時(shí)載入TLB中[1]。因此操作系統(tǒng)可以支持不同大小的頁(yè)表項(xiàng)以適用于不同的目的，然而在同一運(yùn)行的時(shí)刻只能是固定大小的頁(yè)。
　當(dāng)TLB表項(xiàng)均采用4 KB分頁(yè)大小時(shí)，TLB可為512 KB的地址進(jìn)行轉(zhuǎn)譯；16 MB分頁(yè)大小時(shí)可為2 GB地址進(jìn)行轉(zhuǎn)譯。對(duì)于某個(gè)運(yùn)算集合在4 MB和8 MB之間的程序來說，如果分頁(yè)大小為32 KB，則在運(yùn)算集合大于4 MB時(shí)TLB重載入異常處理會(huì)大量產(chǎn)生，TLB替換次數(shù)會(huì)大量增加。如果分頁(yè)大小為64 KB，TLB就可以覆蓋整個(gè)8 MB運(yùn)算集合，會(huì)大大減少TLB重載入異常的發(fā)生。但是分頁(yè)也不是越大越好，例如文件系統(tǒng)I/O操作與TLB無關(guān)，如果用戶讀取數(shù)據(jù)小于頁(yè)大小，分頁(yè)過大反而會(huì)增加系統(tǒng)I/O操作[4]；同樣，大的分頁(yè)會(huì)使得系統(tǒng)每個(gè)進(jìn)程所需資源增加，使系統(tǒng)能支持的進(jìn)程數(shù)減少，降低系統(tǒng)多進(jìn)程的性能；大頁(yè)還會(huì)造成內(nèi)存使用緊張，碎片增多，頁(yè)的換入換出操作增多，降低系統(tǒng)內(nèi)存使用率。
　不同分頁(yè)大小對(duì)系統(tǒng)TLB重載入異常處理和替換次數(shù)有不同影響，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)性能有不同影響，所以應(yīng)根據(jù)不同應(yīng)用需求采用不同頁(yè)大小。
4 多頁(yè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
　多頁(yè)技術(shù)針對(duì)TLB每個(gè)表項(xiàng)可分配頁(yè)大小，根據(jù)實(shí)際需求按需分配頁(yè)大小，該頁(yè)大小信息保存在頁(yè)表項(xiàng)中，用戶申請(qǐng)大空間時(shí)用大頁(yè)進(jìn)行分配，申請(qǐng)小空間時(shí)用小頁(yè)進(jìn)行分配，有利于減少內(nèi)存碎片。系統(tǒng)最小的頁(yè)被定為基本頁(yè)，其他不同大小的頁(yè)用多個(gè)連續(xù)的基本頁(yè)來表示，在TLB頁(yè)表項(xiàng)中有頁(yè)大小的信息項(xiàng)。由于線性區(qū)內(nèi)映射的TLB表項(xiàng)中的頁(yè)屬性在頁(yè)分配時(shí)并不分析該頁(yè)所屬線性區(qū)內(nèi)的其他頁(yè)信息，所以在建立線性空間時(shí)就要將用戶所需的頁(yè)大小信息保存入頁(yè)表中，進(jìn)行頁(yè)分配時(shí)再根據(jù)信息進(jìn)行不同大小的頁(yè)分配。
　多頁(yè)技術(shù)主要通過修改Linux系統(tǒng)內(nèi)存管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。線性空間建立主要通過Linux內(nèi)存分配函數(shù)mmap()實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用軟件的代碼段和數(shù)據(jù)段均通過mmap()實(shí)現(xiàn)線性空間的建立，并和文件系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，使得線性空間成為文件內(nèi)容的映射區(qū)域[5]。要實(shí)現(xiàn)多頁(yè)技術(shù)需要對(duì)mmap()進(jìn)行修改，為了方便大頁(yè)的產(chǎn)生，在查找空閑的線性空間時(shí)，要根據(jù)申請(qǐng)空間大小找到滿足條件的頁(yè)大小對(duì)齊的線性地址，如果找不到，則從大到小進(jìn)行頁(yè)對(duì)齊。在線性空間分配完成后，要建立多頁(yè)屬性的頁(yè)表，根據(jù)傳入的線性空間大小，盡量采用大頁(yè)，將分配好的頁(yè)信息保存至TLB頁(yè)表項(xiàng)的頁(yè)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(yè)大小并將頁(yè)信息存入頁(yè)表中，根據(jù)這些信息進(jìn)行實(shí)際頁(yè)分配。Linux系統(tǒng)有頁(yè)緩存頁(yè)和匿名頁(yè)兩種頁(yè)面，為了實(shí)現(xiàn)多頁(yè)技術(shù)，需對(duì)這兩種頁(yè)面的分配進(jìn)行修改。多頁(yè)技術(shù)的修改主要在于對(duì)原有頁(yè)分配函數(shù)進(jìn)行修改替換，通過對(duì)filemap_nopage()函數(shù)的修改實(shí)現(xiàn)將分配大頁(yè)后的文件數(shù)據(jù)讀入到連續(xù)頁(yè)緩存中，通過對(duì)do_no_page()函數(shù)的修改實(shí)現(xiàn)頁(yè)表的建立。具體多頁(yè)申請(qǐng)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(jìn)行性能優(yōu)化[6]。通過軟件TLB重載入異常處理實(shí)現(xiàn)了TLB替換處理中命中率的提高，減少了處理時(shí)間。根據(jù)用戶需求進(jìn)行分配的多頁(yè)技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)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(yè)大小的優(yōu)勢(shì)，使得系統(tǒng)性能得到明顯提升。
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