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(shù)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(guān)鍵詞： TLB,；重載入異常處理,；多頁技術(shù)；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。現(xiàn)有軟TLB技術(shù)可減少TLB替換處理時間,，多頁技術(shù)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(shù)來減少TLB替換處理時間,，軟TLB技術(shù)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(shù)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(guān)，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(shù)的實現(xiàn)
　多頁技術(shù)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(shù)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(guān)聯(lián),，使得線性空間成為文件內(nèi)容的映射區(qū)域[5]。要實現(xiàn)多頁技術(shù)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(shù)，需對這兩種頁面的分配進行修改,。多頁技術(shù)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(shù)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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