# Day 15 Cache and TLB Flushing Under Linux (summary)

今天来做个文件的总结吧！
这篇文件 Cache and TLB Flushing Under Linux 描述的是各式的 flushing API、以及各个 API 所使用的时机和情境，并提供各个架构实作这些 API 的语意；举例来说：

• flush_tlb_all： 在 riscv 底下的实作是 sfence.vma 一个由 ISA 定义的 s mode 指令，用来提供类似 memory barrier 的语意，并且在 ISA 规格中也提到 The SFENCE.VMA is used to flush any local hardware caches related to address translation (privileged spec draft 1.12)。
• flush_cache_mm：在 riscv 中，cache 相关的操作是由 platform 自行定义的，所以这部分也会交由 platform 自己订、自己实作，像是 csky 就把它实作为自己平台上的 dcache 相关操作。

这篇文件分为 4 个部分，分别描述了 TLB、cache、cache aliasing 处理、IO 处理 相关的 flushing API，藉由这样的分类分项，这几天也重新复习了 TLB、cache 相关的计算机结构基础知识，虽然说还没能将整篇文件的内容理解透彻，但是藉由这样的复习，倒也回答了一些自己的疑惑。(( 还有很多悬而未决的疑问就是了XD

• TLB: MMU(Memory Management Unit) 中的一个硬体元件，用来 cache 分页表中的资讯，以达到快速的 VA->PA 转换。
  • TLB 的 entry 包含哪些项目，由 TLB 的实作方式决定。
    • non-global bit 和 ASID/PCID 是可以避免 TLB 频繁的 flush 的一种优化。
  • TLB 若座落於 CPU 和 cache 之间，那麽 cache 的比对方式就是 VIVT。
  • TLB 若座落於 cache 和 memory 之间，那麽 cache 的比对方式就是 PIPT。
  • TLB 若和 cache 并列，那麽就是 VIPT，比对 cache 的 Index 以及转换 tag 为 PA 的 tag 可以并行。
• cache: 快取是用来 cache 主记忆体上的资料，主要也是用来提升资料存取的效能。
  • cache 的比对方式 (cache 相关的计算)
    • 主要就是要记得整个 address 会被分成以下这些栏位，记得各个栏位所代表的意思，以及怎麽做计算，那麽 cache 相关的计算问题，大致上就没问题啦！

    [ tag | index | block or line offset | byte offset ]
    

    • VIVT：CPU 送出来的 VA，直接取 tag 栏位和 index 栏位拿来做比对，不需要经过 TLB 转换。
      • 优点：快且硬体实作成本低。
      • 缺点：软件维护成本高，因为会有 aliasing 问题，包含了
        • homonyms：不同 process 可能会有相同的 VA 对应到不同的 PA，在 cache 中没有正确的维护，导致新 process 取到旧的 VA 资料。
        • synonyms：不同的 VA 对应到相同的 PA，修改其一造成对两个 VA 存取，取到的值有歧异。
        • 解法：flush cache (极大的 latency)
    • PIPT：CPU 送出来的 VA 经过 TLB 转换後，用转换後的 PA 来做 cache 比对。
      • 优点：不会有任何 aliasing 问题，因为 PA 是唯一的。
      • 缺点：硬体实作成本高；若有 TLB miss 将会有极大的 latency 在做 page walk。
    • VIPT：CPU 送出来的 VA，其 tag 经过 TLB 转换成 PA tag，而同时其 index 直接在 cache 中做比对。
      • 优点：是个折衷作法，包含 VIVT 和 PIPT 的部分优点。
      • 缺点：仍是有可能会有 synonyms 问题。
      • 解法：
        • page coloring：将多出来的 bit 上色，不同色的 index 要对应到不同的 Physical page，这样可以确定，不会有两个不同的 VA 对应到相同的 PA。 (Linux 并不支援，因为实作太复杂，且这样的 worst case 难遇到，并且有其他解法)
        • 硬体支援：让硬体支援 alias detection 机制。
        • cache 的设计：让 VIPT cache 运作的像是 PIPT cache (让 index 部分和 offset 部分的 bit 数小於等於表示 page 大小所需的 bit 数)

以上是目前复习并且有整理到的内容，尚未厘清的部分，主要是文件中描述的情境，以及一些记忆体管理子系统(mm subsystem) 所用到的资料结构和 API，例如：

• struct mm_struct、struct vm_area_struct
• vmalloc、vmap
• kernel offset mapping、COW page
  ... 等等，族繁不及备载，不过这些要探究清楚，可能又可以再写一份铁人赛的系列文，有点超出这次系列文所设下的 scope XDDD，这部分就容笔者偷懒一回吧！有机会、有些实验成果，再来向大家分享，那我们这次 Cache and TLB Flushing Under Linux 文件的阅读，就先到这里告一个段落！
  明天再见啦！