摘 要： 龍芯2F系統在TLB替換處理上開銷較大，現有軟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，進而減少重載入異常處理的次數，達到提高系統性能的目的。
關鍵詞： TLB；重載入異常處理；多頁技術；龍芯2F
隨著軟件規模增大，內存需求越來越大。現代系統提出虛空間的概念，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換速度。
龍芯2F是中科院計算所自主研發的高性能通用64位處理器[1]，在龍芯2F的Linux系統中，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的整體系統性能。現有軟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，從而進一步提高TLB替換效率，幫助對龍芯2F系統進行優化。
1 龍芯2F TLB重載入異常處理
龍芯2F系統采用Debian Linux，其TLB只負責地址轉譯，表項維護由操作系統負責，所以表頁發生修改時TLB內容必須被及時更新[2]。Linux系統通過flush_tlb_all、flush_tlb_mm、flush_tlb_page、flush_tlb_range等函數來操作TLB內容。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容，然后獲取兩個連續頁表項用來進行TLB替換寫入，處理完畢后返回異常處理現場。
2 軟TLB處理實現
龍芯2F系統為64位，頁表為3級頁表，且操作地址不連續，每次訪問三級頁表內容時，TLB重載入需要5次訪存操作，產生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系統中設計用軟TLB技術來減少TLB替換處理時間，軟TLB技術在內存空間中開辟出一個全局TLB緩沖區域，作為硬件TLB的緩存，在系統進行TLB表項替換前，要先查詢該TLB緩沖區，如果所查內容在緩沖區內，則將內容寫入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且訪存操作連續的軟TLB方法產生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系統的影響
龍芯2F采用軟硬協同實現內存管理，硬件完成TLB地址轉譯，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的地址進行轉譯；16 MB分頁大小時可為2 GB地址進行轉譯。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生，TLB替換次數會大量增加。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重載入異常的發生。但是分頁也不是越大越好，例如文件系統I/O操作與TLB無關，如果用戶讀取數據小于頁大小，分頁過大反而會增加系統I/O操作[4]；同樣，大的分頁會使得系統每個進程所需資源增加，使系統能支持的進程數減少，降低系統多進程的性能；大頁還會造成內存使用緊張，碎片增多，頁的換入換出操作增多，降低系統內存使用率。
不同分頁大小對系統TLB重載入異常處理和替換次數有不同影響，進而對系統性能有不同影響，所以應根據不同應用需求采用不同頁大小。
4 多頁技術的實現
多頁技術針對TLB每個表項可分配頁大小，根據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，有利于減少內存碎片。系統最小的頁被定為基本頁，其他不同大小的頁用多個連續的基本頁來表示，在TLB頁表項中有頁大小的信息項。由于線性區內映射的TLB表項中的頁屬性在頁分配時并不分析該頁所屬線性區內的其他頁信息，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系統內存管理子系統實現。線性空間建立主要通過Linux內存分配函數mmap()實現，應用軟件的代碼段和數據段均通過mmap()實現線性空間的建立，并和文件系統關聯，使得線性空間成為文件內容的映射區域[5]。要實現多頁技術需要對mmap()進行修改，為了方便大頁的產生，在查找空閑的線性空間時，要根據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頁表項的頁大小區域內。
完成線性空間建立后，根據用戶需求來決定頁大小并將頁信息存入頁表中，根據這些信息進行實際頁分配。Linux系統有頁緩存頁和匿名頁兩種頁面，為了實現多頁技術，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進行修改替換，通過對filemap_nopage()函數的修改實現將分配大頁后的文件數據讀入到連續頁緩存中，通過對do_no_page()函數的修改實現頁表的建立。具體多頁申請分配流程見圖2。
現有龍芯Linux操作系統軟件規模日益增大與TLB覆蓋空間小的矛盾，使得系統在TLB替換處理上開銷很大，需要在系統內存管理方面進行性能優化[6]。通過軟件TLB重載入異常處理實現了TLB替換處理中命中率的提高，減少了處理時間。根據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，能夠發揮各種頁大小的優勢，使得系統性能得到明顯提升。
參考文獻
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[2] 蘇波，李凱.龍芯2F上的訪存優化[J].計算機系統應用，2010，19(1)：171-175.
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