ASID 與 MIPS 中 TLB相關寄存器

ASID

• 為了提高TLB的性能，将TLB分成Global和process-specific。global 是指常駐在tlb中不會被刷出的，例如核心空間的翻譯，process-specific 是指每個程序獨有的位址空間，當發生程序切換的時候，這部分tlb可以被刷出，為了支援process-specific的tlb，arm提出了ASID（Adress Space ID）的硬體解決方案，這樣TLB就可以識别出這個 TLB 頁表項是屬于哪一個程序的。
• 在 MIPS 中，有兩個地方會出現ASID，每一個TLB表項會有一個ASID，辨別這個表項是屬于哪一個程序的，CP0_EntryHI 中的ASID是目前程序的ASID，是以程序對TLB的查詢操作，即使VPN命中，但若該表項不是global且ASID與CP0_EntryHi的ASID不一緻，則也視作TLB缺失 – 這樣就不用每次切換程序都要 flush 所有 tlb

MIPS 中 TLB/MMU 相關寄存器

TLB 關鍵字域

• EntryHi 包含 VPN2 和 ASID 字段
  • VPN2 就是 TLB 表項對應的虛拟頁表号，在 MIPS 設計中，一個 TLB 表項存儲的是兩個相鄰虛拟頁對應的實體頁框号，是以 VPN2 隻有 21 位（除去頁内偏移12位和第13位）
  • ASID 字段，是目前程序的ASID，在對 TLB 通路查詢中起到驗證的作用（具體見 ASID 部分）。
• EntryLo0-1
  • PFN 對應的實體頁框号
  • D(dirty) 标志位，置位時允許寫入；0 不允許寫入，若寫入則發生異常
  • V(valid) 有效位
  • G(global) 表明該 TLB 表項是全局的還是屬于特定程序的，若是全局的，則對該 TLB 表項的讀取都會無視 ASID 是否比對
• EntryHi 與 EntryLo 一道負責 TLB 的寫入與讀取操作，tlbr 将讀到的 TLB 表項寫入 EntryHi（注意這一步會覆寫原本的 ASID，執行之後需要恢複）與 EntryLo 之中。
• PageMask
  • 用于支援更大的頁，PageMask 寄存器值為 1 的位，在執行 TLB 表項比對時被忽略（即 PageMask 寄存器值為 1 的位被視作頁内偏移位），如: PageMask 低 12 位為 1，則表明頁大小為 4KB。
  • 另外，在 MIPS 體系中，頁的大小在 4KB 和 16MB 之間以四倍遞增。

TLB 選擇寄存器

• index
  • 值為 0 到 表項總數 - 1 之間的一個數，用于指出 tlbr、tlbwi 讀寫的是第幾個 TLB 表項。
• Random
  • 儲存 TLB 的一個索引，CPU 每執行一條指令就向下遞減計數一次，該值充當 tlbwr 的 TLB 索引，在需要更新 TLB 時，幫助實作随機替換政策。

頁表存取輔助寄存器

• Context 和 XContext
  • 輔助處理 TLB 重填異常，其中 XContext 是 MIPS64 位中增加的
  • 32位的 Context 資料域為：

  31 - 23	22 - 4	3 - 0
  PTEBase	BADVPN2

  • PTEBase 存儲頁表空間的起始位址（因為起始位址是 8M 對齊）
  • BADVPN2 是 BADAddr 的 VPN2 域，BADAddr 是引起重填異常的虛拟位址
  • 實際上 32 位中一個頁表項隻有 64 位大（VPN2 下），但是 MIPS 為了與 64 位頁表相容，預留成 2*64 位大
  • 因為 PTEBase 是頁表空間的起始位址，BADVPN2 标明該 BADAddr 所對應的是第 BADVNP2 個頁表項，故 BADVPN << 4 就是 BADAddr 對應的頁表項相對于頁表空間起始位址的偏移，是以當發生重填異常的時候，Context 存儲的就是對應頁表項的虛拟位址，即需要加載到 EntryLo0-1中的資料項的位址。是以依靠 Context 的輔助，能夠極大程度的簡化重填異常處理的過程。

TLB 重填異常處理

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

• ehb 彙編指令用于保證 ehb 之前對協處理器 0 的操作都會在執行該條指令之後指令時已完成

參考資料：See MIPS Run Linux (2nd edition)