ARMLinux的TLB miss处理过程

——Heron（2012.11.23）

在ARM架构下，TLB miss后的工作绝大多数情况是由hardwarepage table walk完成，特殊情况下hardware page table walk可以被关闭，此时发生TLB miss后CPU就会产生一个translationfault，剩下的工作由OS接管，完成对于translation fault的异常处理。

默认情况下，发生TLB miss后，hardware page table walk自动启动开始扫描内存中的pagetable，若找到相应PTE（page table entry），则自动完成TLB entry的重填工作；如果找不到，则发出一个page fault异常，然后OS接管处理page fault。内核中有do_page_fault函数，该函数从硬盘中调换页面进内存，更新页表，然后重新执行发生TLB miss的那条指令，hardware page table walk重新执行，完成TLB重填的工作。

这里关心的是关闭hardware pagetable walk后，再发生TLB miss后的处理例程。如果发生这种情况，ARM CPU会发出一个translation fault（If translation table walksare disabled, for example, PD0 or EPD0 is set to 1 for TTBR0, or PD1 or EPD1 isset to 1 for TTBR1, the processor returns a Translation fault.见cortex-A15TRM p 5-5）。OS处理该异常的流程如下。

 

首先发生translation fault后，CPU会发出一个abort异常，然后跳转到该异常地址处（以发生指令预取中止异常为例，跳转到0x00000010）去执行，该地址处存放的是一个跳转指令 （W(b)         vector_pabt +stubs_offset），然后，通过判断，若发生该异常的指令处于usr模式，则跳转到__pabt_usr函数去执行，该函数中有条跳转指令bl CPU_PABORT_HANDLER，CPU_PABORT_HANDLER是个宏定义，对于ARMv7，该定义是：# define CPU_PABORT_HANDLER v7_pabort，

v7_pabort函数中就读取了IFSR和IFAR两个寄存器的值：

//pabort-v7.S

/*

 *Function: v6_pabort

 *

 *Params  : r0 = address of aborted instruction

 *

 *Returns : r0 = address of abort

 *         : r1 = IFSR

 *

 *Purpose : obtain information about current prefetch abort.

 */

         .align        5

ENTRY(v7_pabort)

         mrc  p15,0, r0, c6, c0, 2         @ get IFAR

         mrc  p15,0, r1, c5, c0, 1         @ get IFSR

         mov pc,lr

ENDPROC(v7_pabort)

 

IFAR中存储了发生异常的指令地址，IFSR中存储的是一个32位数，其中某些位表明异常类型等（参考Cortex-A15TRM p4-76）

 

         剩余的工作就是根据以上两个寄存器提取出来的信息，调用相应函数（do_PrefetchAbort——>do_translation_fault）进行处理。OS接管后的操作是（do_translation_fault函数），首先判断发生TLBmiss的那条指令是用户指令还是系统指令，如果是系统指令则剩余工作是对页全局目录（pgd）,页上级目录（pud），页中间目录（pmd）进行操作；如果是用户指令，则调用do_page_fault函数，剩下的工作就是page fault的处理过程，根据不同情况判断，包括权限检查，分配页面，发送SIGSEGV信号给进程，直接杀死进程等。不管哪种操作，OS都没有对TLB进行重填。

 

 

 

 

对于page fault的处理过程如下：在取数或者取指令时，发生指令或者数据的地址不存在的情况，则发生中止异常。

 

      以取指发生异常为例。发生指令预取中止异常后，CPU自动跳转到0x0000000C（可配置成0xfffffffc，这里不考虑）去执行，该地址处是一个跳转指令 （W(b)        vector_pabt + stubs_offset），然后，通过判断，若发生该异常的指令处于usr模式，则跳转到__pabt_usr函数去执行，该函数中有条跳转指令bl      CPU_PABORT_HANDLER，CPU_PABORT_HANDLER是个宏定义，对于ARMv7，该定义是：#  defineCPU_PABORT_HANDLER v7_pabort，v7_pabort函数中就读取了IFSR和IFAR两个寄存器的值：

//pabort-v7.S

/*

 * Function: v6_pabort

 *

 * Params  : r0 = address ofaborted instruction

 *

 * Returns : r0 = address of abort

 *        : r1 = IFSR

 *

 * Purpose : obtain information aboutcurrent prefetch abort.

 */

 

         .align 5

ENTRY(v7_pabort)

         mrc   p15, 0, r0, c6, c0, 2                @ get IFAR

         mrc   p15, 0, r1, c5, c0, 1                @ get IFSR

         mov   pc, lr

ENDPROC(v7_pabort)

 

IFAR中存储了发生异常的指令地址，IFSR中存储的是一个32位数，其中某些位表明异常类型等（参考Cortex-A15 TRM p4-76）

 

         剩余的工作就是根据以上两个寄存器提取出来的信息，调用相应函数（do_PrefetchAbort——>do_page_fault）进行处理。