Mips TLB miss实现in Linux
by HappySeeker
TLB miss是Mips中内存管理的核心流程。上一篇写了关于Mips中，TLB miss的相关原理，本文关注在Linux kernel中的代码实现。
TLB Refill初始化
内核启动过程中，会对TLB Refill异常进行初始化，设置相应的处理接口。主要流程如下(以R3k为例)：
start_secondary
per_cpu_trap_init
tlb_init
build_tlb_refill_handler
build_r3000_tlb_refill_handler
具体设置处理函数的操作在build_r3000_tlb_refill_handler进行，代码如下：
/*
* The R3000 TLB handler is simple.
*/
/*
* 标准的TLB Refill代码，相对比较简单，只用一级页表，跟Mips手册中的基本一致。
*/
static void build_r3000_tlb_refill_handler(void)
{
/* 页目录 */
long pgdc = (long)pgd_current;
u32 *p;
/* 初始化tlb处理接口 */
memset(tlb_handler, 0, sizeof(tlb_handler));
p = tlb_handler;
/* 读取产生异常的虚拟地址 */
uasm_i_mfc0(&p, K0, C0_BADVADDR);
uasm_i_lui(&p, K1, uasm_rel_hi(pgdc)); /* cp0 delay */
uasm_i_lw(&p, K1, uasm_rel_lo(pgdc), K1);
uasm_i_srl(&p, K0, K0, 22); /* load delay */
uasm_i_sll(&p, K0, K0, 2);
uasm_i_addu(&p, K1, K1, K0);
/* 从CONTEXT寄存器中读取信息 */
uasm_i_mfc0(&p, K0, C0_CONTEXT);
uasm_i_lw(&p, K1, 0, K1); /* cp0 delay */
uasm_i_andi(&p, K0, K0, 0xffc); /* load delay */
uasm_i_addu(&p, K1, K1, K0);
uasm_i_lw(&p, K0, 0, K1);
uasm_i_nop(&p); /* load delay */
/* 写ENTRYLO0寄存器，供后面的tlbwr指令使用，将其写入TLB */
uasm_i_mtc0(&p, K0, C0_ENTRYLO0);
/* 读取EPC寄存器，其中保存了异常返回地址 */
uasm_i_mfc0(&p, K1, C0_EPC); /* cp0 delay */
/* tlbwr指令，根据ENTRYLO0寄存器内容(来源于页表，通过Context寄存器索引)，写TLB */
uasm_i_tlbwr(&p); /* cp0 delay */
/* 跳转到异常返回地址，退出异常 */
uasm_i_jr(&p, K1);
uasm_i_rfe(&p); /* branch delay */
...
/*
* 关键点：将tlb_handler(也就是前面设置的TLB refill异常处理函数)内容拷贝到ebase
* (Mips为异常分配的物理地址空间(大小为0x80)，用ebase寄存器指向，简单情况下，就是
* 物理地址0x0)，当TLB Refill异常发生时，硬件会自动跳转到ebase对应的地址执行。
*/
memcpy((void *)ebase, tlb_handler, 0x80);
...
}
可以看出，TLB refill异常的处理函数代码，是内核动态设置的，而不是汇编静态代码，由于Mips硬件型号比较多，如此操作更具灵活性。
同时，请注意TLB refill异常处理函数入口位于固定物理地址：0x0。
General Exception初始化
内核启动过程中，会对General Exception相应的异常处理接口进行初始化，主要流程如下：
start_kernel
trap_init
trap_init完成异常相关初始化操作，主要代码如下：
void __init trap_init(void)
{
// General Exception处理接口
extern char except_vec3_generic;
...
/*
* Copy the generic exception handlers to their final destination.
* This will be overriden later as suitable for a particular
* configuration.
*/
/*
* 将General Exception的处理函数(指令)拷贝到0x180(物理地址)中，0x180是r4000以上
* 的Mips CPU中General Exception默认入口地址，该段物理地址空间大小为0x80,专门
* 预留出来用于General Exception的处理。
*/
set_handler(0x180, &except_vec3_generic, 0x80);
/*
* Setup default vectors
*/
/×
* 为0-31号异常设置默认的处理接口，General Exception对应编号为3,TLB refill异常
* 对应编号为1。
*/
for (i = 0; i <= 31; i++)
set_except_vector(i, handle_reserved);
...
/*
* General Exception是所有普通优先级异常的总入口，其中会根据异常码调用不同的处理
* 接口，这里就是设置不同的异常吗对应的处理接口。
* 注意：2号异常码对应为**page fault**异常，即TLB Load异常，处理接口为handle_tlbl
*/
set_except_vector(0, using_rollback_handler() ? rollback_handle_int
: handle_int);
set_except_vector(1, handle_tlbm);
set_except_vector(2, handle_tlbl);
set_except_vector(3, handle_tlbs);
set_except_vector(4, handle_adel);
set_except_vector(5, handle_ades);
set_except_vector(6, handle_ibe);
set_except_vector(7, handle_dbe);
/* 设置系统调用处理接口 */
set_except_vector(8, handle_sys);
/*
* 根据不同的CPU类型，设置相应的General Exception的处理接口地址，对应R4,地址为
* 0x180，其它(更老的)为0x80.
*/
if (cpu_has_vce)
/* Special exception: R4[04]00 uses also the divec space. */
set_handler(0x180, &except_vec3_r4000, 0x100);
else if (cpu_has_4kex)
set_handler(0x180, &except_vec3_generic, 0x80);
else
set_handler(0x080, &except_vec3_generic, 0x80);
...
}
General Exception处理
General Exception处理在except_vec3_generic函数中，以汇编实现，其中主要工作是：读取异常类型码ExcCode，然后调用相应的处理接口。主要代码如下(genex.S文件中)：
/*
* General exception vector for all other CPUs.
*
* Be careful when changing this, it has to be at most 128 bytes
* to fit into space reserved for the exception handler.
*/
/*
* 汇编代码，最终被拷贝到0x180的物理地址中，注意这段物理地址空间是有大小限制的，最大为128
* 字节(0x80)，所以处理不能太复杂。
*/
NESTED(except_vec3_generic, 0, sp)
.set push
.set noat
#if R5432_CP0_INTERRUPT_WAR
mfc0 k0, CP0_INDEX
#endif
mfc0 k1, CP0_CAUSE //从CP0_CAUSE寄存器中读取异常类型码ExcCode
andi k1, k1, 0x7c
#ifdef CONFIG_64BIT
dsll k1, k1, 1
#endif
/*
* 根据类型码，条用exception_handlers中对应的接口,exception_handlers中的处理接口
* 是在trap_init初始化时设置的。
*/
PTR_L k0, exception_handlers(k1)
jr k0
.set pop
END(except_vec3_generic)
TLB Load异常处理初始化
前面的General Exception初始化流程中，仅设置了General Exception的处理入口和不同的异常码对应的处理接口，但是并设置具体的异常处理函数内容，即异常发生后具体执行的代码，其初始化是在另外的流程中：
start_secondary
per_cpu_trap_init
tlb_init
build_tlb_refill_handler
build_r3000_tlb_load_handler
具体实现在build_r3000_tlb_load_handler函数中，关键代码如下：
static void build_r3000_tlb_load_handler(void)
{
u32 *p = handle_tlbl;
const int handle_tlbl_size = handle_tlbl_end - handle_tlbl;
...
/* 初始化 */
memset(handle_tlbl, 0, handle_tlbl_size * sizeof(handle_tlbl[0]));
...
/*
* 写汇编代码，相当于j tlb_do_page_fault_0，即直接跳转到tlb_do_page_fault_0处
* 执行，即调用tlb_do_page_fault_0函数
*/
uasm_i_j(&p, (unsigned long)tlb_do_page_fault_0 & 0x0fffffff);
uasm_i_nop(&p);
...
}
TLB Load异常处理(Page Fault)
如前面的代码分析，tlb load异常的处理接口中，其实就是调用tlb_do_page_fault_0函数，再看看这个函数实现(汇编代码，在tlbex-fault.S文件中)：
/* tlb_do_page_fault_0和tlb_do_page_fault_1一起实现，通过宏控制 */
.macro tlb_do_page_fault, write
NESTED(tlb_do_page_fault_\write, PT_SIZE, sp)
/* 保存上下文 */
SAVE_ALL
/* 读取发送异常的虚拟地址 */
MFC0 a2, CP0_BADVADDR
KMODE
move a0, sp
REG_S a2, PT_BVADDR(sp)
li a1, \write
PTR_LA ra, ret_from_exception
/* 关键点：调用do_page_fault函数 */
j do_page_fault
END(tlb_do_page_fault_\write)
.endm
代码很简单，除保存上下文之类的操作外，就是调用do_page_fault函数了，这个就是我们很熟悉的page fault的标准接口了，其中会分配内存，并新增页表项，建立虚拟地址和物理地址的映射关系。这里就不说的，以前写过分析文档。
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