[TLB & PTW - Rocketchip] Research the ptw and tlb microarchitecture and output the ppt.

[Jerryy959]

https://carrv.github.io/2020/papers/CARRV2020_paper_11_Papadopoulos.pdf This paper describes the TLB microarchitecture, valuable to understand. Especially this figure,

You should combine this figure with rocketchip’s PTW code for understanding and reading. Link this: https://github.com/chipsalliance/rocket-chip/blob/master/src/main/scala/rocket/PTW.scala

Page Walker Page Walker 是一个状态机，根据虚拟地址访问页表，访问规则与 RV 手册中相似，直到：

访问到 2MB 的节点，返回给 Last Level Page Walker，由 Last Level Page Walker 进行最后一级页表的访问 访问叶子节点，为大页（SuperPage），返回给一级 TLB 访问到非法节点，页表项的 v 位为 false 等 Page Walker 访存的结果会存到 Page Cache 中。 Page Walker 同时只能够处理一个请求，并且最多只访问前两级页表，访存能力较弱，原因在 Last Level Page Walker 节说明。

[Jerryy959]

TLB: [1] TLB on Nutshell: https://oscpu.github.io/NutShell-doc/%E5%8A%9F%E8%83%BD%E9%83%A8%E4%BB%B6/tlb.html [2] TLB on xiangshan: https://xiangshan-doc.readthedocs.io/zh-cn/latest/memory/mmu/mmu/

PTW: [1] riscv-page-table-walk: https://www.francisz.cn/2021/02/20/riscv-page-table-walk/ [2] groups: https://groups.google.com/a/groups.riscv.org/g/sw-dev/c/nd4yruTpTj0 [3] PTW on xiangshan: https://xiangshan-doc.readthedocs.io/zh-cn/latest/memory/mmu/l2tlb/ 🌟

[Jerryy959]

Check out my keynote: This will be reported at the next group meeting.

https://github.com/BOSC-Hvisor/Doc/blob/9a14dd1aa66bfa72a46d94fae880f441e2a9f508/Presentation/TLB_and_PTW.key

[Jerryy959]

TLB的工作原理： https://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/Chinese/19.pdf

[Jerryy959]

虚拟存储器的讲解： https://www.cnblogs.com/lyc-seu/p/16995924.html

[Jerryy959]

https://cgi.di.uoa.gr/~vkarakos/papers/fpl20_configurable_tlb_riscv-slides.pdf https://www.kancloud.cn/wepeng/php/1172762 https://www.risc-v1.com/thread-1148-1-1.html

[Jerryy959]

DOC：

https://github.com/Jerryy959/Phd/issues/10#issuecomment-2299102076

[Jerryy959]

TASK： https://github.com/Jerryy959/Phd/issues/10#issuecomment-2299100574

[Jerryy959]

当前的配置是这样的 new WithNBigCores(4) ++ new WithNExtTopInterrupts(6) ...

我需要弄懂每一个配置的作用， 然后测试删除某个配置， 然后启动原本的OS， 然后再尝试加上H扩展。

[Jerryy959]

https://github.com/syswonder/blog/blob/main/docs/2024/20240706_FPGA_Supported_Rocketchip.md 记录了我的文档

[Jerryy959]

页表只能放入内存中，因为页表占用的空间太大了。 TLB是页表缓存。 TLB访问和Cache访问同时进行，TLB可视为页表的Cache。

[Jerryy959]

嵌入式系统中的用户模式和进程隔离

1. 特权模式切换

Riscv中，M模式可以直接访问所有的硬件资源，为了更好的保护系统代码安全，必须禁止不可信代码执行特权指令（如mret）和访问特权CSR（如mstatus）。

U模式为此功能服务。当CPU处于U模式，将拒绝执行M模式指令或访问M模式CSR。

M切换U的方法：将mstatus.MPP设为U，然后执行mret。当U模式出现异常，则控制权交会M模式。

2. 限制不可信代码只能访问各自的内存 —— PMP (Physical Memory Protection, PMP)

该功能允许M模式指定哪些内存地址可让U模式访问。

方法是：

PMP包含若干地址寄存器（8-16个）和相应的配置寄存器，后者用于配置读写执行的权限。

U模式的CPU尝试取指访存时，该地址X会与PMP寄存器比较。

1. PMPi < X < PMP(i+1) => PMP_(i+1) 决策是否允许访问，若否，则抛出异常。
2. PMP粒度为4字节。

[Jerryy959]

Rocketchip中的PTW：

PTW（Page Table Walker）是一个处理页表查询的状态机，用于高级TLB（Translation Lookaside Buffer）的页面表查询。这个状态机在TLB缓存未命中时，通过查询内存中的页表，找到所需的页表条目（PTE），并将其缓存到L2TLB或PTE缓存中。以下是对PTW状态机的详细分析：

PTW 的状态机概述：

1.  s_ready:
         准备好接收来自TLB的请求。
         在这个状态下，如果TLB发出请求，并且没有L2TLB的回填操作，PTW将进入下一个状态。
2.  s_req:
         PTW接收到来自TLB的请求，判断是否命中PTE缓存。
         如果命中，处理该PTE，并继续处理；否则，发出内存请求以查询页表。
3.  s_wait1:
         处理L2TLB错误，或者等待内存响应。
         如果在L2TLB中找到错误或者需要等待内存响应，PTW进入这个状态。
4.  s_wait2:
         最后一次检查是否命中PTE缓存。
         在这个状态下，PTW进行最后的PTE缓存命中判断，如果命中，则可以直接使用该PTE。
5.  s_wait3:
         接收内存响应，处理查询结果。
         如果PTW从内存中得到了所需的PTE，会进入这个状态来处理响应数据。
6.  s_fragment_superpage:
         处理超级页面（superpage）的PTE片段。
         当PTE指向一个超级页面（通常是更大的页面大小），需要特殊处理以确保地址映射的正确性。

状态机中的关键事件：

•   PTE Cache Hit (pte_cache_hit):
•   在s_req或s_wait1状态时，如果命中PTE缓存（不论是一级还是二级），PTW可以快速找到所需的PTE，而不需要继续查询内存。
•   L2TLB Hit (l2_hit):
•   L2TLB命中发生在s_req状态或s_wait1状态，这意味着PTW可以直接使用L2TLB中的条目，而不需要继续查询内存。
•   Memory Access (mem access):
•   如果PTE缓存未命中，PTW将在s_req状态时发出内存请求以查询页表，并在s_wait3状态时处理内存响应。
•   Two-Stage Translation:
•   如果启用了两级地址转换（如Hypervisor模式），PTW在s_fragment_superpage状态时需要处理多层次的PTE，以确保正确的物理地址映射。

PTW中的状态转换：

1.  从s_ready状态开始，接收到TLB的请求后进入s_req状态。
2.  在s_req状态判断是否命中PTE缓存，如果命中则跳到s_wait2状态，否则发出内存请求，进入s_wait1或s_wait3状态。
3.  在s_wait1状态处理错误或者等待响应，然后进入s_wait2或s_wait3状态。
4.  在s_wait3状态接收并处理内存响应，最终返回到s_ready状态以准备处理下一个请求。

总结

PTW状态机在处理TLB缓存未命中的情况下，通过一系列状态转换完成页表查询，并缓存结果以加速后续访问。其主要目标是通过L2TLB和PTE缓存的命中率，减少对内存的访问，提升虚拟内存系统的性能。