MIPS32地址映射和TLB

所有集成了MMU功能的CPU，使能MMU之后，程序地址就是虚拟地址，不能直接访问存储器，必须经过MMU转换成物理地址。

MIPS32虚拟地址空间

MIPS32将虚拟地址空间划分为4个区域：

kuseg 0x0000 0000 - 0x7FFF FFFF(低2GB)：

这些地址是用户态可用的地址。对于有MMU的机器，这些地址需要经过MMU(TLB)的转换后才可以使用；对于没有MMU的机器，这些地址的行为与具体机器实现相关。

kseg0 0x8000 0000 - 0x9FFF FFFF(512MB):

这段地址只需将最高位清零即转换为物理地址，映射到连续的低端512MB物理地址上，因此在描述其属性时一般称为unmapped。另外该段地址访问时总是需要通过cache，因此描述其属性时称为cached。在一般应用上，这段地址映射到的物理地址用于存放程序和数据或者操作系统核心。

kseg1 0xA000 0000 - 0xBFFF FFFF(512MB):

与kseg0类似，这段地址同样映射到了低端512MB物理地址（将高3个bit清零），但其访问不经过cache，因此其属性可以称为 unmapped/uncached。由于unmaped/uncached特性，这段地址无需配置TLB和cache即可使用，是唯一的在系统重启时能正常工作的地址空间，因此复位入口点(0xBFC0 0000)被放在这个区域，其物理地址为0x1FC0 0000。

kseg2 0xC000 0000 - 0xFFFF FFFF(1GB):

该段地址只能在核心态下使用且需要经过MMU(TLB)转换。

综上，以BCM53003芯片为例，虚拟地址与物理地址的映射关系如下：

其中，kseg3段只是对kseg2段进一步细分，没有本质的区别。

kseg0和kseg1两个虚拟地址段为unmapped地址段，虚拟地址到物理地址的映射关系是固定的，这是因为它们不是通过TLB转换的，而是由MIPS CPU内部实现的Fix-Mapped MMU完成地址转换。这样设计的初衷，是因为CPU刚上电时，TLB未初始化，unmapped地址段可以将Flash Reset Vector(4MB)、DDR DMA(128MB)、CPU核心控制寄存器组以及关键外设寄存器组映射到CPU的虚拟地址空间。

kuseg和kseg2两个虚拟地址段为mapped地址段，由TLB负责处理地址映射。

MIPS CPU有四种工作模式——User/Supervisor/Kernel/Debug，每种工作模式下的访问权限不同，如下图所示：

MIPS32 TLB描述

TLB(Translation Lookside Buffer)介于CPU控制核心和Cache控制器之间，其作用是把程序地址（或称虚拟地址）转换成物理地址。

TLB被称为相联存储器或者内容寻址存储器，因为它不是按照索引来寻址，而是根据内容来选择TLB表项进行寻址。其逻辑非常复杂，每一个TLB表项都有内建的比较器，复杂度和性能扩展性很差，因此，TLB的表项一般不是很多。

典型的TLB包含16~64个TLB表项，每一个表项包含一个页的虚拟地址（VPN即虚拟页号）和一个物理页地址（PFN即物理页号），页大小是可以配置的。

当程序访问一个虚拟地址时，该地址和所有TLB表项中的VPN进行比较，TLB返回匹配的TLB表项的PFN，完成地址转换；如果找不到，则触发TLB miss异常（Linux系统中，因为各进程虚拟地址空间独立且地址范围相同，因此会触发TLB refill重填异常，会涉及TLB表项的更新；但是VxWorks系统中，所有任务共享同一虚拟地址空间，所有TLB表项都是启动时配置，运行时不动态更新）。有一组标志位和每个PFN一起返回，标志位用来标识地址页是否缓存、缓存模式、属于某个ASID还是全局有效地址等。

正所谓“知其然，然后知其所以然”，以BCM53003芯片（包含64个TLB表项）为例，将所有TLB表项导出如下：

BCM5300X>tlb 0 63
 0 : 00 e0000000  64MB -> 0_40000000 C2DVG 0_44000000 C2DVG
 1 : 00 c0000000  64MB -> 0_40000000 C0DVG 0_44000000 C0DVG
 2 : 00 20000000 256MB -> 0_10000000 C0--- 0_20000000 C2DV-
 3 : 00 00000000 256MB -> 0_10000000 C0--- 0_20000000 C0DV-
 4 : 00 60000000 256MB -> 0_80000000 C2DVG 0_90000000 C2DVG
 5 : 00 40000000 256MB -> 0_80000000 C0DVG 0_90000000 C0DVG
 6 : 00 8000c000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
 7 : 00 8000e000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
 8 : 00 80010000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
 9 : 00 80012000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
10 : 00 80014000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
11 : 00 80016000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
12 : 00 80018000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
13 : 00 8001a000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
14 : 00 8001c000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
15 : 00 8001e000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
16 : 00 80020000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
17 : 00 80022000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
18 : 00 80024000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
19 : 00 80026000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
20 : 00 80028000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
21 : 00 8002a000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
22 : 00 8002c000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
23 : 00 8002e000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
24 : 00 80030000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
25 : 00 80032000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
26 : 00 80034000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
27 : 00 80036000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
28 : 00 80038000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
29 : 00 8003a000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
30 : 00 8003c000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
31 : 00 8003e000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
32 : 00 80040000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
33 : 00 80042000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
34 : 00 80044000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
35 : 00 80046000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
36 : 00 80048000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
37 : 00 8004a000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
38 : 00 8004c000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
39 : 00 8004e000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
40 : 00 80050000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
41 : 00 80052000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
42 : 00 80054000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
43 : 00 80056000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
44 : 00 80058000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
45 : 00 8005a000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
46 : 00 8005c000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
47 : 00 8005e000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
48 : 00 80060000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
49 : 00 80062000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
50 : 00 80064000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
51 : 00 80066000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
52 : 00 80068000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
53 : 00 8006a000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
54 : 00 8006c000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
55 : 00 8006e000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
56 : 00 80070000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
57 : 00 80072000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
58 : 00 80074000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
59 : 00 80076000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
60 : 00 80078000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
61 : 00 8007a000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
62 : 00 8007c000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---
63 : 00 8007e000   4KB -> 0_00000000 C0--- 0_00000000 C0---

以TLB Entry 0为例说明：

 0 : 00 e0000000  64MB -> 0_40000000 C2DVG 0_44000000 C2DVG

该表项表示将虚拟地址0xe000 0000开始的128MB虚拟地址空间，映射到从0x4000 0000开始的64MB物理地址空间，以及从0x4400 0000开始的64MB物理地址空间，每个物理地址段后面的标志位（C2DVG）表示映射模式。

MIPS CPU一般采用双相相关联存储器实现TLB，即每个TLB表项包含一对相邻的虚拟地址页（虚拟地址空间上连续）对应两个单独的物理地址（物理地址空间上可以不连续）。

接下来，就是“知其所以然”的阶段了，MIPS CPU提供了几个CP0协处理器寄存器和几条TLB相关的指令，用来实现TLB的配置。以一个TLB表项为例，它由CP0的EntryHi、PageMask、EntryLo0、EntryLo1四个寄存器的不同字段组成。每次程序代码访问mapped虚拟地址时，TLB都通过这几个寄存器返回TLB表项给CPU，整个地址转换的过程是CPU逻辑电路实现的，软件不感知；软件可以做的事情是配置TLB表项，建立虚拟地址和物理地址的映射表。

、

VPN2表示虚拟页号，ASID用来唯一标识当前进程，如Linux系统中，每个进程的虚拟地址空间都是4GB大小，地址范围都是0x0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF，相同的虚拟地址对不同的进程而言，是映射到不同的物理地址的，因此仅靠VPN2虚拟页号无法完成地址转换，还需要ASID。

PageMask用来标识每个TLB表项的虚拟地址段大小，可配置范围如下：

EntryLo0/1两个寄存器分别表示一个TLB表项的两个物理地址页，称为even page和odd page。

PFN表示物理页号；C表示Cache一致性属性，即是cached还是uncached，是write-through还是write-back；D表示是否为Dirty页，V表示是否有效；G表示是否为全局地址，如果置1，则不关心ASID（ignore ASID），如果置0，则进行地址转换时要根据ASID进行地址转换。另外，一般情况下，EntryLo0和EntryLo1的G位需要配置为相同值，因为TLB的表项中的G属性是两位相与的逻辑。

值得一提的是，kseg0和kseg1两个unmapped虚拟地址段的Cache一致性属性可以通过CP0相关寄存器配置：

综上，一个完成的TLB地址映射如下：

地址转换流程如下：

MIPS32 TLB配置

TLB配置还涉及其他CP0寄存器和TLB相关指令。

Index表示TLB表项序号，从0~63。P表示Probe Failure标志位（只读），当发生TLB miss时，则置位。

Random和Wired寄存器一起划定TLB refill重填的范围，即可以把64个TLB表项划分为静态表项和动态表项两个区域，当发生TLB refill异常时，则随机选取Wired~63之间的任意表项（Random随机数指向的表项）进行TLB表项更新。

Context寄存器是辅助TLB refill重填的，当发生TLB miss异常需要refill时，在PTE Base指向的区域取匹配的表项进行快速回填。

涉及TLB指令包括：

TLBWI - 写CP0 Index寄存器设置TLB Entry ID

TLBR - 读CP0 Index寄存器获取TLB Entry ID

TLBWR - 写CP0 Random寄存器设置TLB Entry ID

TLBP - 获取匹配的TLB Entry ID

一个完整的TLB配置过程如下：

Physical address 0x88000000 ~ 0x9FFFFFFF (384M) is mapped to virtual address 0xC8000000 ~ 0xDFFFFFFF.

– 1 Set PageMask register to configure 16M page size. The value should be 0x01ffe000. 384/(16*2) = 12 entries needed.

– 2 Set Index register to configure TLB entry index.

– 3 Set EntryHi register to configure virtual address. ASID fields can be ignored.

– 4 Set EntryLo0 and EntryLo1 registers to configure the even and the odd physical pages. The lower 6 bits, which are status bit, could be set to 0x1f. It means:

• Cacheable, write back
• Allow modify
• The entry is valid.
• Ignore ASID.
– 5 Use TLBWI instruction to write one TLB entry by Index register.
– 6 If more TLB entries needed, jump to 2

posted on 2020-10-15 11:15 者旨於陽阅读(1718) 评论(0) 编辑收藏举报

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