本文通过修改PTE格式和TLB硬件缓存实现了任意大小($\geq$ 4KB)的内存页映射
背景和问题
Linux虚拟内存机制将虚拟地址到物理地址的映射信息以PTE的形式记录在页表中，TLB会缓存一部分热的PTE以加速地址转换过程。在执行内存地址转换时，若TLB缓存未命中，则需要读取内存中的多级页表，以获取相应的PTE中的物理地址。此外，TLB一般分为两级，一级TLB加速的效果明显高于二级，但是一级TLB的容量相对较小。
随着系统物理内存容量的增加，映射条目（PTE）急剧增加，而TLB缓存大小由于成本等问题而受到限制，导致TLB缓存命中率降低，地址转换过程需要频繁的访问内存，带来高额的延时。图1描述了在不同负载下应用访问内存页表占应用总执行时间的比例。图中共测试了三种情况，分别是：1）native，无其他线程抢占TLB资源的本地执行；2）SMT，有一个硬件线程抢占TLB资源的情况下的本地执行; 3）virtualized，在虚拟化场景下运行时，需要查找两层页表（客机操作系统和主机操作系统）的情况。可以看到，当TLB资源争抢和虚拟化场景中，已近TLB未命中而导致的查询页表的时间开销尤为显著。
问题在于，虽然大页映射可以减少总的PTE数量，从而缓解TLB命中率低的问题，但是由于现有系统支持的大页映射仅支持2MB和1GB，2MB的粒度仍然过小，不足以有效减少总的PTE数量，而1GB大页映射会造成内存浪费和碎片化问题。缺少一种灵活尺寸的页映射机制来提升TLB缓存的效率。
设计
为了提升一级TLB缓存命中率， 本文提出TPS，实现了大于4KB的任何2的幂大小的内存页映射，从而缓解因映射条目过多而TLB容量有限导致的频繁的TLB未命中和访问内存页表带来的地址转换开销高问题。
TPS的设计思想
PTE的第20-12位用于索引页表中一个4KB页映射对应的条目。 如图2所示，当内存页映射大小每翻一倍，其对应的PFN号所需要的比特数减少一位，因此可以通过检查PTE的第20-12位中有多少位用于表示PFN就可以判断这个PTE表示的页映射尺寸（仅限于4KB-2MB范围的映射大小)。相当于复用了PTE的20-12位记录页映射的尺寸。
基于上述设计思想，对于特殊尺寸的页映射（非4KB，2MB），只需使用PTE的一位保留位（第63位）标记出来即可实现TPS。
此外，为了让TLB能够识别新的PTE格式（第63位），TPS对TLB进行了小幅度的硬件修改，如图3红色虚线框所示。对于内存分配，回收机制以及去碎片化机制，均复用现有操作系统机制。
实验平台
ZSim，一种基于循环的x86超量的无序处理器模拟器
注：实验是在单核系统上进行的