PowerPC体系结构之存储管理.doc
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1、PowerPC 体系结构之存储管理取 BOOKE 精要,兼顾 E500 规范。 E500 规范是 BOOKE 的 32-bit 实现,更具体些,大部与 BOOKE 兼容。BOOKE 对存储管理的规范较抽象,没有非常多的细节(比如 TLB 每项的结构必须如此等等),涉及细节则多以 E500 为例子。1. 概述E500 实现有两级 TLB,即:L1 TLB 和 L2 TLB。L1 TLB 可以理解为 L2 TLB 的部分缓存。访问 L1 TLB 的效率要比 L2 的效率高,相应的实现的花费也就高。L1 TLB 由硬件维护,不可编程精确控制。故下面的讨论皆针对 L2 TLB,为方便简称其为 TLB。
2、E500 没有对虚拟地址空间进行划分,即没有固定使用某段虚拟地址固定映射到某段物理地址 (MIPS,重要用于支持设备资源的固定映射以及方便内核对内存的管理)。而是引入了一个更灵活的设计:将 TLB 分为 TLB0 和 TLB1。TLB0 即用于页映射的 TLB,可动态被替换,页大小固定为 4 KB。E500v1 实现为 2 路组相联,256 项;E500v2 实现为 4 路组相联,512 项。TLB1 则设计用于映射大页(比如 16MB, 256MB .),支持可变页大小,E500v1 可支持 9 个页大小(最大 256MB),E500v2 则支持 11 个页大小(最大 4GB)。使用时可将某
3、项设为永驻 TLB1 (通过置 Invalidation Protection 位,简写为 IPROT 位),不会被动态替换,实现为全相联,共 16 项,可将其理解为用于映射 16 个段的可编程固定映射机制。2. TLB 结构与工作方式 2.1 TLB 结构E500 之 TLB0 与 TLB1 每项的数据格式相似,皆由页区分域、翻译域、访问控制域和存储属性位组成。2.1.1 页区分域 页区分域 (Page Identificaion Fields) 即为查找 TLB 时的比对域。涉及 EPN (Effective Page Number),TS (Translation Address Spa
4、ce, 1 bit),TID (Translation ID),V (Valid, 1 bit),SIZE (Page Size, 4 bits)。其中 EPN 即为虚页号。PowerPC 习惯上将地址转换时需要比对的位 (IS/DS | PID | EPN) 的组合,叫做一个地址空间。其中 IS/DS 为 Instruction/Data Address Space,各 1 bit,位于 MSR,0 为地址空间 0,1 则为地址空间 1,转换时其于 TLB_Entry 之 TS 相比较,相等才会输出物理页号;PID 为 Process ID,本意是用于区分不同进程的虚拟地址空间,存放于 PI
5、DR 中,属上下文。转换时,比较 PIDR 与 TLB_Entry 之 TID 位,相等才会输出物理页号。BOOKE 规定需实现一个 PID 寄存器;E500 作了扩展,其实现有 3 个 PIDR (PID0 2),则 E500 在转换时会形成 3 个虚拟地址。将 TLB_Entry 之 TID 置 0,则硬件会忽略 PID0 2 与 TID 的比较,PowerPC Linux 设计时,就将 TID 置 0。2.1.2 翻译域 翻译域 (Translation Field) 即为经 TLB 翻译后输出的数据,其实即为物理页号,PowerPC 叫 RPN (Real Page Number)2.
6、1.3 访问控制域访问控制域 (Access Control Fields) 又称为 PERMIS,共 6 bits,分别指定该页可否被用户态读、写、可执行 (UR, UW, UX);管理态(核心态)的读、写、可执行 (SR, SW, SX)2.1.4 存储属性位存储属性位 (Storage Attribute Bits) ,其重要的 5 bits 为: W (Write through), I (caching Inhibited), M (Memory coherence), G (Guarded), E (Endianness),一般简写为 WIMGE;E500 还实现有可用于系统软件的
7、 X01,可用于用户软件的 U0 U3此外E500 之 TLB1 尚有一位无效保护位 IPROT,置位则该项不会被置无效。2.1.5 完整的 E500 TLB Entry 结构2.2 TLB 工作方式3. TLB 控制接口3.1 相关寄存器3.1.1 MAS0 4, MAS6, MAS7MMU Assist Registers, 用于与 TLB Entry 之间的数据互换MAS0,32 bits,用于选择互换对象是 TLB0 还是 TLB1 (TLBSEL),以及是TLB1 的哪个 Entry 或者 TLB0 的哪一路 (ESEL):MAS1,32 bits,用于存放 V, IPROT, TI
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