3.6. TLB 与页表指令
虚实地址映射，是操作系统更加高效、安全实现内存管理的基础，而 TLB 则是处理器中存放映射关系的临时缓存，用于加速虚实地址转换过程。
LoongArch 架构下，页表组织映射方式、TLB 的结构与管理，请查看手册《龙芯架构参考手册卷一》5 章节。
为提高性能，优化管理，LoongArch 架构提供了页表和 TLB 相关指令支持。
需要注意的是，页表和 TLB 相关指令，仅在 PLV0 特权等级下才能执行。
3.6.1. TLB 相关指令
TLB 相关指令用于 TLB 维护，包括 TLB 中表项查找、读取、写入、无效化等操作。
3.6.1.1. TLBSRCH
格式: tlbsrch
操作:
CST.TLBIDX.NE = 1
for (i <- tlb_num) # 遍历 TLB
if ( CSR.TLBEHI == TLB[i].VPPN && CSR.ASID == TLB[i].ASID) # 如果 VPPN 与 ASID 匹配
CSR.TLBIDX.INDEX = i
CSR.TLBIDX.NE = 0
TLBSRCH 指令实现 TLB 表项查找。
执行该指令，前置需要使用 CSR 相关指令，将查询信息索引配置到 CSR.ASID 和 CSR.TLBEHI 中，其中 CSR.ASID 存放查询表项时，对应进程编号，CSR.TLBEHI 中保存虚拟地址的 [VALEN - 1:13] 位。
硬件将使用 CSR.ASID 和 CSR.TLBEHI 的信息，去遍历 TLB 中的所有表项。
如果有命中项，那么将命中项的索引值写入到 CSR.TLBIDX 的 Index 域，同时将 CSR.TLBIDX 的 NE 位置为 0；如果没有命中项，那么将 CSR.TLBIDX 的 NE 位置为 1。
其中，TLB 中表项的索引值规则，是从0开始依次递增编号，从 STLB 到 MTLB ，从 STLB 的第 0 路第 0 行至最后一行，然后从第 1 路第 0 行至最后一行，直至最后一路最后一行。 MTLB 从第 0 行至最后一行。
Tip
指令实现原理，可参考模拟器 LA_EMU 的loongarch64/tlb_helper.c中helper_tlbsrch函数。
3.6.1.2. TLBRD
格式: tlbrd
操作:
index = CSR.TLBIDX.INDEX
if ( TLB[index].V == 1) # 如果表项有效
CSR.TLBEHI = TLB[index].VPPN
CSR.TLBLO0 = TLB[index].ENTRY0
CSR.TLBLO1 = TLB[index].ENTRY1
CSR.TLBIDX.PS = TLB[index].PS
CSR.TLBIDX.NE = 0
else
CSR.TLBIDX.NE = 1
TLBRD 指令实现 TLB 表项读取。
执行该指令，前置需要使用 CSR 相关指令，将查询信息配置到 CSR.TLBIDX 中。
如果指定位置处是一个有效 TLB 表项，那么将该 TLB 项的页表信息写入到 CSR.TLBEHI 、 CSR.TLBELO0 、 CSR.TLBELO1 和 CSR.TLBIDX.PS 中，且将 CSR.TLBIDX 的 NE 位置为 0。
如果指定位置处是一个无效 TLB 项，需将 CSR.TLBIDX 的 NE 位置为 1，且建议对读出内容进行屏蔽保护，如 CSR.ASID.ASID 、 CSR.TLBEHI 、 CSR.TLBELO0 、 CSR.TLBELO1 和 CSR.TLBIDX.PS 都不更新或全置为 0。
其中，TLB 中表项的索引值规则，是从0开始依次递增编号，从 STLB 到 MTLB ，从 STLB 的第 0 路第 0 行至最后一行，然后从第 1 路第 0 行至最后一行，直至最后一路最后一行。 MTLB 从第 0 行至最后一行。
如果访问使用的索引值超出 TLB 范围，处理器行为不确定。
Tip
指令实现原理，可参考模拟器 LA_EMU 的loongarch64/tlb_helper.c中helper_tlbrd函数。
3.6.1.3. TLBWR
格式: tlbwr
操作:
# 确定位置索引并写入
index = CSR.TLBIDX.INDEX
TLB[index].VPPN = CSR.TLBEHI
TLB[index].ENTRY0 = CSR.TLBLO0
TLB[index].ENTRY1 = CSR.TLBLO1
TLB[index].PS = CSR.TLBIDX.PS
# 判断是否有效
if ( CSR.TLBRERA.IsTLBR == 1 || CSR.TLBIDX.NE == 0)
TLB[index].V = 1
else
TLB[index].V = 0
TLBWR 指令实现 TLB 表项写入。
执行该指令，前置需要使用 CSR 指令，将页表项信息写入到相关 CSR ，包括 CSR.TLBEHI 、 CSR.TLBELO0 、 CSR.TLBELO1 和 CSR.TLBIDX.PS 。硬件根据 CSR.TLBIDX 的 Index 域，确定写入 TLB 表项位置。
同时，如果 CSR.TLBRERA.IsTLBR = 1，即处于 TLB 重填例外处理过程中，则填入表项是一个有效项。否则，需要依旧 CSR.TLBIDX.NE 位，判断写入的 TLB 表项是否有效。如果 CSR.TLBIDX.NE = 1，那么填入表项是一个无效表项，仅当 CSR.TLBIDX.NE = 0， TLB 才会被填入一个有效表项。
其中，TLB 中表项的索引值规则，是从0开始依次递增编号，从 STLB 到 MTLB ，从 STLB 的第 0 路第 0 行至最后一行，然后从第 1 路第 0 行至最后一行，直至最后一路最后一行。 MTLB 从第 0 行至最后一行。
如果访问使用的索引值超出 TLB 范围，处理器行为不确定。
Tip
指令实现原理，可参考模拟器 LA_EMU 的loongarch64/tlb_helper.c中helper_tlbwr函数。
3.6.1.4. TLBFILL
格式: tlbfill
操作:
# 获取填入位置索引
index = SelectIndex(CSR.TLBIDX.PS,CSR.STLBPS)
# 填入索引对应位置表项
TLB[index].VPPN = CSR.TLBEHI
TLB[index].ENTRY0 = CSR.TLBLO0
TLB[index].ENTRY1 = CSR.TLBLO1
TLB[index].PS = CSR.TLBIDX.PS
# 判断是否有效
if ( CSR.TLBRERA.IsTLBR == 1 || CSR.TLBIDX.NE == 0)
TLB[index].V = 1
else
TLB[index].V = 0
TLBFILL 指令实现 TLB 表项填入。
被填入的页表项信息，来自于 CSR.TLBEHI 、 CSR.TLBELO0 、 CSR.TLBELO1 和 CSR.TLBIDX.PS 。如此时 CSR.TLBRERA.IsTLBR = 1，即处于 TLB 重填例外处理过程中，则填入表项是一个有效项。否则，需要依旧 CSR.TLBIDX.NE 位，判断写入的 TLB 表项是否有效。如果 CSR.TLBIDX.NE = 1，那么填入表项是一个无效表项，仅当 CSR.TLBIDX.NE = 0， TLB 才会被填入一个有效表项。
页表项填入时，首先根据被填入页表项的页大小来决定写入 STLB 或 MTLB 。
当被填入的页表项页大小与 STLB 配置的页大小( CSR.STLBPS )相等时，会填入 STLB ，否则填入 MTLB 。填入对应 TLB 的位置，由硬件决定。
Tip
指令实现原理，可参考模拟器 LA_EMU 的loongarch64/tlb_helper.c中helper_tlbfill函数。
3.6.1.5. TLBCLR
格式: tlbclr
操作:
index = CSR.TLBIDX.INDEX
if ( TLB[index].ASID == CSR.ASID && TLB[index].G == 0)
TLB[index].V = 0
TLBCLR 指令实现指定的 TLB 表项清除,以维持 TLB 与内存之间页表数据的一致性。
执行 TLBCLR 指令，前置需要使用 CSR 相关指令，将无效表项索引填入 CSR.TLBIDX 与 CSR.ASID 。根据 CSR.TLBIDX 的 Index 域，将对应位置且满足 G=0 且 ASID 等于 CSR.ASID.ASID 条件的表项无效。
3.6.1.6. TLBFLUSH
格式: tlbflush
TLBFLUSH 指令实现 TLB 表项无效。
执行 TLBFLUSH 指令，需要根据 CSR.TLBIDX ，找到对应表项。
如果对应表项在 MTLB ，则将 MTLB 中所有页表项无效掉。如果落在 STLB 范围，则将 STLB 中对应表项所在路中的页表项无效掉。
3.6.1.7. INVTLB
格式: invtlb op,rj,rk
INVTLB 指令用于无效 TLB 中的内容，以维持 TLB 与内存之间页表数据的一致性。
指令源操作数中，op 是 5 比特立即数，指示操作类型，具体类型及其操作说明，可以在手册《龙芯架构参考手册卷一》4.2.4.7 章节中查看。
通用寄存器 rj 中，[9:0] 位存放无效操作所需的 ASID 。如果操作类型不需要 ASID ，应将该 rj 设置为 r0 。
通用寄存器 rk 存放无效操作所需要的虚拟地址，如果操作类型不需要虚拟地址，应将该 rk 设置为 r0 。
Tip
指令实现原理，可参考模拟器 LA_EMU 的loongarch64/tlb_helper.c中helper_invtlb_all函数。
3.6.2. 页表查找指令
3.6.2.1. LDDIR
格式: lddir rd,rj,level
操作:
# 获取需查找的 VA
badvaddr = CSR.TLBRBADV
# 当前级页表的宽度与基址
dir_base = CSR.PWCL.BASE
dir_width = CSR.PWCL.WIDTH
# 查找下一级页表
if ( rj[6] == 0 )
# 通过 VA 获取下一级页表的索引
index = (badvaddr >> dir_base) & ((1 << dir_width) - 1);
next_base = rj[6] | (index << 8)
# 从内存中读取下一级页表项
GPR[rd] = RAM_LOAD(next_base)
LDDIR 指令用于访问目录项。
指令中，8 比特立即数 level 用于指示要当前访问的页表级数。 level = 1 对应 CSR.PWCL 中对应的 PT ，level = 2 对应 CSR.PWCL 中对应的 Dir1 ，level = 3 对应 CSR.PWCL 中对应的 Dir2 ，level = 4 对应 CSR.PWCL 中对应的 Dir3 。
具体页表级数对应关系，可以在手册《龙芯架构参考手册卷一》5.4.5 章节中查看。
rj 寄存器则可能为一个页表项或当前级数的页表基址地址。 如果 rj[6] 为 0，表明 rj 为第 level 级页表的基址的物理地址，指令会根据当前 CSR.TLBRBADV 访问第 level 级页表，取回下一级页表的基址，写入到通用寄存器 rd 中。 如果 rj[6] 为 1，表明 rj 为一个大页页表项。再考虑 rj[14:13] 。如果 rj[14:13] 为 0 ，将 rj[14:13] 位替换为 level[1:0] 后， 整体写入到 rd ；否则将rj直接写入到 rd 中。
Tip
指令实现原理，可参考模拟器 LA_EMU 的loongarch64/tlb_helper.c中helper_lddir函数。
3.6.2.2. LDPTE
格式: ldpte rj,seq
操作:
# 获取需查找的 VA
badvaddr = CSR.TLBRBADV
# 当前级页表的宽度与基址
dir_base = CSR.PWCL.BASE
dir_width = CSR.PWCL.WIDTH
# 查找下一级页表
if ( rj[6] == 0 )
# 通过 VA 获取下一级页表的索引
index = (badvaddr >> dir_base) & ((1 << dir_width) - 1);
# 奇数项基址
next_base_0 = rj[6] | (index << 8)
# 从内存中读取下一级页表项
CSR.TLBRELO1 = RAM_LOAD(next_base_0)
# 偶数项基址
next_base_1 = rj[6] | ((index + 1) << 8)
# 从内存中读取下一级页表项
CSR.TLBRELO0 = RAM_LOAD(next_base_1)
LDPTE 指令用于访问页表项。
立即数 seq 用于指示访问的偶数页还是奇数页。访问偶数页时结果将写入 CSR.TLBRELO0 ，访问奇数页时结果将写入 CSR.TLBRELO1 。 如果 rj[6] 为0，表明 rj 为 PTE 该级页表基址的物理地址，指令会根据 CSR.TLBRBADV 访问页表，写回CSR；否则，将 rj[14:13] 替换为对应级数，写回 CSR。
Tip
指令实现原理，可参考模拟器 LA_EMU 的loongarch64/tlb_helper.c中helper_ldpte函数。
3.6.3. 应用示例
在linux 6.10 中，由软件实现的TLB重填过程，结合使用了上述指令。
在arch/loongarch/mm/tlbex.S中，用汇编实现了软件重填过程。
SYM_CODE_START(handle_tlb_refill)
UNWIND_HINT_UNDEFINED
csrwr t0, LOONGARCH_CSR_TLBRSAVE
csrrd t0, LOONGARCH_CSR_PGD
lddir t0, t0, 3
#if CONFIG_PGTABLE_LEVELS > 3
lddir t0, t0, 2
#endif
#if CONFIG_PGTABLE_LEVELS > 2
lddir t0, t0, 1
#endif
ldpte t0, 0
ldpte t0, 1
tlbfill
csrrd t0, LOONGARCH_CSR_TLBRSAVE
ertn
SYM_CODE_END(handle_tlb_refill)
上述函数首先使用 LDDIR 指令，遍历页表的目录项，再使用 LDPTE 指令，读取页表项，最终，使用 TLBFILL 实现 TLB 填入。