]> git.proxmox.com Git - mirror_qemu.git/blobdiff - accel/tcg/cputlb.c
tcg: Use tlb_fill probe from tlb_vaddr_to_host
[mirror_qemu.git] / accel / tcg / cputlb.c
index 8fd84209df8281f9d0ca9cda618eb8776b85bd9e..685e0f2ee4e0965b4120b8d47a5d63cdd9e2a890 100644 (file)
@@ -6,7 +6,7 @@
  * This library is free software; you can redistribute it and/or
  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
  * License as published by the Free Software Foundation; either
- * version 2 of the License, or (at your option) any later version.
+ * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  *
  * This library is distributed in the hope that it will be useful,
  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
@@ -32,6 +32,7 @@
 #include "exec/log.h"
 #include "exec/helper-proto.h"
 #include "qemu/atomic.h"
+#include "qemu/atomic128.h"
 
 /* DEBUG defines, enable DEBUG_TLB_LOG to log to the CPU_LOG_MMU target */
 /* #define DEBUG_TLB */
@@ -58,9 +59,9 @@
     } \
 } while (0)
 
-#define assert_cpu_is_self(this_cpu) do {                         \
+#define assert_cpu_is_self(cpu) do {                              \
         if (DEBUG_TLB_GATE) {                                     \
-            g_assert(!cpu->created || qemu_cpu_is_self(cpu));     \
+            g_assert(!(cpu)->created || qemu_cpu_is_self(cpu));   \
         }                                                         \
     } while (0)
 
@@ -73,155 +74,280 @@ QEMU_BUILD_BUG_ON(sizeof(target_ulong) > sizeof(run_on_cpu_data));
 QEMU_BUILD_BUG_ON(NB_MMU_MODES > 16);
 #define ALL_MMUIDX_BITS ((1 << NB_MMU_MODES) - 1)
 
-/* flush_all_helper: run fn across all cpus
- *
- * If the wait flag is set then the src cpu's helper will be queued as
- * "safe" work and the loop exited creating a synchronisation point
- * where all queued work will be finished before execution starts
- * again.
- */
-static void flush_all_helper(CPUState *src, run_on_cpu_func fn,
-                             run_on_cpu_data d)
+static inline size_t sizeof_tlb(CPUArchState *env, uintptr_t mmu_idx)
 {
-    CPUState *cpu;
+    return env->tlb_mask[mmu_idx] + (1 << CPU_TLB_ENTRY_BITS);
+}
 
-    CPU_FOREACH(cpu) {
-        if (cpu != src) {
-            async_run_on_cpu(cpu, fn, d);
-        }
-    }
+static void tlb_window_reset(CPUTLBWindow *window, int64_t ns,
+                             size_t max_entries)
+{
+    window->begin_ns = ns;
+    window->max_entries = max_entries;
 }
 
-size_t tlb_flush_count(void)
+static void tlb_dyn_init(CPUArchState *env)
 {
-    CPUState *cpu;
-    size_t count = 0;
+    int i;
 
-    CPU_FOREACH(cpu) {
-        CPUArchState *env = cpu->env_ptr;
+    for (i = 0; i < NB_MMU_MODES; i++) {
+        CPUTLBDesc *desc = &env->tlb_d[i];
+        size_t n_entries = 1 << CPU_TLB_DYN_DEFAULT_BITS;
 
-        count += atomic_read(&env->tlb_flush_count);
+        tlb_window_reset(&desc->window, get_clock_realtime(), 0);
+        desc->n_used_entries = 0;
+        env->tlb_mask[i] = (n_entries - 1) << CPU_TLB_ENTRY_BITS;
+        env->tlb_table[i] = g_new(CPUTLBEntry, n_entries);
+        env->iotlb[i] = g_new(CPUIOTLBEntry, n_entries);
     }
-    return count;
 }
 
-/* This is OK because CPU architectures generally permit an
- * implementation to drop entries from the TLB at any time, so
- * flushing more entries than required is only an efficiency issue,
- * not a correctness issue.
+/**
+ * tlb_mmu_resize_locked() - perform TLB resize bookkeeping; resize if necessary
+ * @env: CPU that owns the TLB
+ * @mmu_idx: MMU index of the TLB
+ *
+ * Called with tlb_lock_held.
+ *
+ * We have two main constraints when resizing a TLB: (1) we only resize it
+ * on a TLB flush (otherwise we'd have to take a perf hit by either rehashing
+ * the array or unnecessarily flushing it), which means we do not control how
+ * frequently the resizing can occur; (2) we don't have access to the guest's
+ * future scheduling decisions, and therefore have to decide the magnitude of
+ * the resize based on past observations.
+ *
+ * In general, a memory-hungry process can benefit greatly from an appropriately
+ * sized TLB, since a guest TLB miss is very expensive. This doesn't mean that
+ * we just have to make the TLB as large as possible; while an oversized TLB
+ * results in minimal TLB miss rates, it also takes longer to be flushed
+ * (flushes can be _very_ frequent), and the reduced locality can also hurt
+ * performance.
+ *
+ * To achieve near-optimal performance for all kinds of workloads, we:
+ *
+ * 1. Aggressively increase the size of the TLB when the use rate of the
+ * TLB being flushed is high, since it is likely that in the near future this
+ * memory-hungry process will execute again, and its memory hungriness will
+ * probably be similar.
+ *
+ * 2. Slowly reduce the size of the TLB as the use rate declines over a
+ * reasonably large time window. The rationale is that if in such a time window
+ * we have not observed a high TLB use rate, it is likely that we won't observe
+ * it in the near future. In that case, once a time window expires we downsize
+ * the TLB to match the maximum use rate observed in the window.
+ *
+ * 3. Try to keep the maximum use rate in a time window in the 30-70% range,
+ * since in that range performance is likely near-optimal. Recall that the TLB
+ * is direct mapped, so we want the use rate to be low (or at least not too
+ * high), since otherwise we are likely to have a significant amount of
+ * conflict misses.
  */
-static void tlb_flush_nocheck(CPUState *cpu)
+static void tlb_mmu_resize_locked(CPUArchState *env, int mmu_idx)
 {
-    CPUArchState *env = cpu->env_ptr;
+    CPUTLBDesc *desc = &env->tlb_d[mmu_idx];
+    size_t old_size = tlb_n_entries(env, mmu_idx);
+    size_t rate;
+    size_t new_size = old_size;
+    int64_t now = get_clock_realtime();
+    int64_t window_len_ms = 100;
+    int64_t window_len_ns = window_len_ms * 1000 * 1000;
+    bool window_expired = now > desc->window.begin_ns + window_len_ns;
+
+    if (desc->n_used_entries > desc->window.max_entries) {
+        desc->window.max_entries = desc->n_used_entries;
+    }
+    rate = desc->window.max_entries * 100 / old_size;
+
+    if (rate > 70) {
+        new_size = MIN(old_size << 1, 1 << CPU_TLB_DYN_MAX_BITS);
+    } else if (rate < 30 && window_expired) {
+        size_t ceil = pow2ceil(desc->window.max_entries);
+        size_t expected_rate = desc->window.max_entries * 100 / ceil;
+
+        /*
+         * Avoid undersizing when the max number of entries seen is just below
+         * a pow2. For instance, if max_entries == 1025, the expected use rate
+         * would be 1025/2048==50%. However, if max_entries == 1023, we'd get
+         * 1023/1024==99.9% use rate, so we'd likely end up doubling the size
+         * later. Thus, make sure that the expected use rate remains below 70%.
+         * (and since we double the size, that means the lowest rate we'd
+         * expect to get is 35%, which is still in the 30-70% range where
+         * we consider that the size is appropriate.)
+         */
+        if (expected_rate > 70) {
+            ceil *= 2;
+        }
+        new_size = MAX(ceil, 1 << CPU_TLB_DYN_MIN_BITS);
+    }
 
-    /* The QOM tests will trigger tlb_flushes without setting up TCG
-     * so we bug out here in that case.
-     */
-    if (!tcg_enabled()) {
+    if (new_size == old_size) {
+        if (window_expired) {
+            tlb_window_reset(&desc->window, now, desc->n_used_entries);
+        }
         return;
     }
 
-    assert_cpu_is_self(cpu);
-    atomic_set(&env->tlb_flush_count, env->tlb_flush_count + 1);
-    tlb_debug("(count: %zu)\n", tlb_flush_count());
-
-    tb_lock();
+    g_free(env->tlb_table[mmu_idx]);
+    g_free(env->iotlb[mmu_idx]);
+
+    tlb_window_reset(&desc->window, now, 0);
+    /* desc->n_used_entries is cleared by the caller */
+    env->tlb_mask[mmu_idx] = (new_size - 1) << CPU_TLB_ENTRY_BITS;
+    env->tlb_table[mmu_idx] = g_try_new(CPUTLBEntry, new_size);
+    env->iotlb[mmu_idx] = g_try_new(CPUIOTLBEntry, new_size);
+    /*
+     * If the allocations fail, try smaller sizes. We just freed some
+     * memory, so going back to half of new_size has a good chance of working.
+     * Increased memory pressure elsewhere in the system might cause the
+     * allocations to fail though, so we progressively reduce the allocation
+     * size, aborting if we cannot even allocate the smallest TLB we support.
+     */
+    while (env->tlb_table[mmu_idx] == NULL || env->iotlb[mmu_idx] == NULL) {
+        if (new_size == (1 << CPU_TLB_DYN_MIN_BITS)) {
+            error_report("%s: %s", __func__, strerror(errno));
+            abort();
+        }
+        new_size = MAX(new_size >> 1, 1 << CPU_TLB_DYN_MIN_BITS);
+        env->tlb_mask[mmu_idx] = (new_size - 1) << CPU_TLB_ENTRY_BITS;
 
-    memset(env->tlb_table, -1, sizeof(env->tlb_table));
-    memset(env->tlb_v_table, -1, sizeof(env->tlb_v_table));
-    cpu_tb_jmp_cache_clear(cpu);
+        g_free(env->tlb_table[mmu_idx]);
+        g_free(env->iotlb[mmu_idx]);
+        env->tlb_table[mmu_idx] = g_try_new(CPUTLBEntry, new_size);
+        env->iotlb[mmu_idx] = g_try_new(CPUIOTLBEntry, new_size);
+    }
+}
 
-    env->vtlb_index = 0;
-    env->tlb_flush_addr = -1;
-    env->tlb_flush_mask = 0;
+static inline void tlb_table_flush_by_mmuidx(CPUArchState *env, int mmu_idx)
+{
+    tlb_mmu_resize_locked(env, mmu_idx);
+    memset(env->tlb_table[mmu_idx], -1, sizeof_tlb(env, mmu_idx));
+    env->tlb_d[mmu_idx].n_used_entries = 0;
+}
 
-    tb_unlock();
+static inline void tlb_n_used_entries_inc(CPUArchState *env, uintptr_t mmu_idx)
+{
+    env->tlb_d[mmu_idx].n_used_entries++;
+}
 
-    atomic_mb_set(&cpu->pending_tlb_flush, 0);
+static inline void tlb_n_used_entries_dec(CPUArchState *env, uintptr_t mmu_idx)
+{
+    env->tlb_d[mmu_idx].n_used_entries--;
 }
 
-static void tlb_flush_global_async_work(CPUState *cpu, run_on_cpu_data data)
+void tlb_init(CPUState *cpu)
 {
-    tlb_flush_nocheck(cpu);
+    CPUArchState *env = cpu->env_ptr;
+
+    qemu_spin_init(&env->tlb_c.lock);
+
+    /* Ensure that cpu_reset performs a full flush.  */
+    env->tlb_c.dirty = ALL_MMUIDX_BITS;
+
+    tlb_dyn_init(env);
 }
 
-void tlb_flush(CPUState *cpu)
+/* flush_all_helper: run fn across all cpus
+ *
+ * If the wait flag is set then the src cpu's helper will be queued as
+ * "safe" work and the loop exited creating a synchronisation point
+ * where all queued work will be finished before execution starts
+ * again.
+ */
+static void flush_all_helper(CPUState *src, run_on_cpu_func fn,
+                             run_on_cpu_data d)
 {
-    if (cpu->created && !qemu_cpu_is_self(cpu)) {
-        if (atomic_mb_read(&cpu->pending_tlb_flush) != ALL_MMUIDX_BITS) {
-            atomic_mb_set(&cpu->pending_tlb_flush, ALL_MMUIDX_BITS);
-            async_run_on_cpu(cpu, tlb_flush_global_async_work,
-                             RUN_ON_CPU_NULL);
+    CPUState *cpu;
+
+    CPU_FOREACH(cpu) {
+        if (cpu != src) {
+            async_run_on_cpu(cpu, fn, d);
         }
-    } else {
-        tlb_flush_nocheck(cpu);
     }
 }
 
-void tlb_flush_all_cpus(CPUState *src_cpu)
+void tlb_flush_counts(size_t *pfull, size_t *ppart, size_t *pelide)
 {
-    const run_on_cpu_func fn = tlb_flush_global_async_work;
-    flush_all_helper(src_cpu, fn, RUN_ON_CPU_NULL);
-    fn(src_cpu, RUN_ON_CPU_NULL);
+    CPUState *cpu;
+    size_t full = 0, part = 0, elide = 0;
+
+    CPU_FOREACH(cpu) {
+        CPUArchState *env = cpu->env_ptr;
+
+        full += atomic_read(&env->tlb_c.full_flush_count);
+        part += atomic_read(&env->tlb_c.part_flush_count);
+        elide += atomic_read(&env->tlb_c.elide_flush_count);
+    }
+    *pfull = full;
+    *ppart = part;
+    *pelide = elide;
 }
 
-void tlb_flush_all_cpus_synced(CPUState *src_cpu)
+static void tlb_flush_one_mmuidx_locked(CPUArchState *env, int mmu_idx)
 {
-    const run_on_cpu_func fn = tlb_flush_global_async_work;
-    flush_all_helper(src_cpu, fn, RUN_ON_CPU_NULL);
-    async_safe_run_on_cpu(src_cpu, fn, RUN_ON_CPU_NULL);
+    tlb_table_flush_by_mmuidx(env, mmu_idx);
+    memset(env->tlb_v_table[mmu_idx], -1, sizeof(env->tlb_v_table[0]));
+    env->tlb_d[mmu_idx].large_page_addr = -1;
+    env->tlb_d[mmu_idx].large_page_mask = -1;
+    env->tlb_d[mmu_idx].vindex = 0;
 }
 
 static void tlb_flush_by_mmuidx_async_work(CPUState *cpu, run_on_cpu_data data)
 {
     CPUArchState *env = cpu->env_ptr;
-    unsigned long mmu_idx_bitmask = data.host_int;
-    int mmu_idx;
+    uint16_t asked = data.host_int;
+    uint16_t all_dirty, work, to_clean;
 
     assert_cpu_is_self(cpu);
 
-    tb_lock();
-
-    tlb_debug("start: mmu_idx:0x%04lx\n", mmu_idx_bitmask);
+    tlb_debug("mmu_idx:0x%04" PRIx16 "\n", asked);
 
-    for (mmu_idx = 0; mmu_idx < NB_MMU_MODES; mmu_idx++) {
+    qemu_spin_lock(&env->tlb_c.lock);
 
-        if (test_bit(mmu_idx, &mmu_idx_bitmask)) {
-            tlb_debug("%d\n", mmu_idx);
+    all_dirty = env->tlb_c.dirty;
+    to_clean = asked & all_dirty;
+    all_dirty &= ~to_clean;
+    env->tlb_c.dirty = all_dirty;
 
-            memset(env->tlb_table[mmu_idx], -1, sizeof(env->tlb_table[0]));
-            memset(env->tlb_v_table[mmu_idx], -1, sizeof(env->tlb_v_table[0]));
-        }
+    for (work = to_clean; work != 0; work &= work - 1) {
+        int mmu_idx = ctz32(work);
+        tlb_flush_one_mmuidx_locked(env, mmu_idx);
     }
 
-    cpu_tb_jmp_cache_clear(cpu);
+    qemu_spin_unlock(&env->tlb_c.lock);
 
-    tlb_debug("done\n");
+    cpu_tb_jmp_cache_clear(cpu);
 
-    tb_unlock();
+    if (to_clean == ALL_MMUIDX_BITS) {
+        atomic_set(&env->tlb_c.full_flush_count,
+                   env->tlb_c.full_flush_count + 1);
+    } else {
+        atomic_set(&env->tlb_c.part_flush_count,
+                   env->tlb_c.part_flush_count + ctpop16(to_clean));
+        if (to_clean != asked) {
+            atomic_set(&env->tlb_c.elide_flush_count,
+                       env->tlb_c.elide_flush_count +
+                       ctpop16(asked & ~to_clean));
+        }
+    }
 }
 
 void tlb_flush_by_mmuidx(CPUState *cpu, uint16_t idxmap)
 {
     tlb_debug("mmu_idx: 0x%" PRIx16 "\n", idxmap);
 
-    if (!qemu_cpu_is_self(cpu)) {
-        uint16_t pending_flushes = idxmap;
-        pending_flushes &= ~atomic_mb_read(&cpu->pending_tlb_flush);
-
-        if (pending_flushes) {
-            tlb_debug("reduced mmu_idx: 0x%" PRIx16 "\n", pending_flushes);
-
-            atomic_or(&cpu->pending_tlb_flush, pending_flushes);
-            async_run_on_cpu(cpu, tlb_flush_by_mmuidx_async_work,
-                             RUN_ON_CPU_HOST_INT(pending_flushes));
-        }
+    if (cpu->created && !qemu_cpu_is_self(cpu)) {
+        async_run_on_cpu(cpu, tlb_flush_by_mmuidx_async_work,
+                         RUN_ON_CPU_HOST_INT(idxmap));
     } else {
-        tlb_flush_by_mmuidx_async_work(cpu,
-                                       RUN_ON_CPU_HOST_INT(idxmap));
+        tlb_flush_by_mmuidx_async_work(cpu, RUN_ON_CPU_HOST_INT(idxmap));
     }
 }
 
+void tlb_flush(CPUState *cpu)
+{
+    tlb_flush_by_mmuidx(cpu, ALL_MMUIDX_BITS);
+}
+
 void tlb_flush_by_mmuidx_all_cpus(CPUState *src_cpu, uint16_t idxmap)
 {
     const run_on_cpu_func fn = tlb_flush_by_mmuidx_async_work;
@@ -232,8 +358,12 @@ void tlb_flush_by_mmuidx_all_cpus(CPUState *src_cpu, uint16_t idxmap)
     fn(src_cpu, RUN_ON_CPU_HOST_INT(idxmap));
 }
 
-void tlb_flush_by_mmuidx_all_cpus_synced(CPUState *src_cpu,
-                                                       uint16_t idxmap)
+void tlb_flush_all_cpus(CPUState *src_cpu)
+{
+    tlb_flush_by_mmuidx_all_cpus(src_cpu, ALL_MMUIDX_BITS);
+}
+
+void tlb_flush_by_mmuidx_all_cpus_synced(CPUState *src_cpu, uint16_t idxmap)
 {
     const run_on_cpu_func fn = tlb_flush_by_mmuidx_async_work;
 
@@ -243,67 +373,70 @@ void tlb_flush_by_mmuidx_all_cpus_synced(CPUState *src_cpu,
     async_safe_run_on_cpu(src_cpu, fn, RUN_ON_CPU_HOST_INT(idxmap));
 }
 
-
-
-static inline void tlb_flush_entry(CPUTLBEntry *tlb_entry, target_ulong addr)
+void tlb_flush_all_cpus_synced(CPUState *src_cpu)
 {
-    if (addr == (tlb_entry->addr_read &
-                 (TARGET_PAGE_MASK | TLB_INVALID_MASK)) ||
-        addr == (tlb_entry->addr_write &
-                 (TARGET_PAGE_MASK | TLB_INVALID_MASK)) ||
-        addr == (tlb_entry->addr_code &
-                 (TARGET_PAGE_MASK | TLB_INVALID_MASK))) {
-        memset(tlb_entry, -1, sizeof(*tlb_entry));
-    }
+    tlb_flush_by_mmuidx_all_cpus_synced(src_cpu, ALL_MMUIDX_BITS);
 }
 
-static void tlb_flush_page_async_work(CPUState *cpu, run_on_cpu_data data)
+static inline bool tlb_hit_page_anyprot(CPUTLBEntry *tlb_entry,
+                                        target_ulong page)
 {
-    CPUArchState *env = cpu->env_ptr;
-    target_ulong addr = (target_ulong) data.target_ptr;
-    int i;
-    int mmu_idx;
-
-    assert_cpu_is_self(cpu);
-
-    tlb_debug("page :" TARGET_FMT_lx "\n", addr);
+    return tlb_hit_page(tlb_entry->addr_read, page) ||
+           tlb_hit_page(tlb_addr_write(tlb_entry), page) ||
+           tlb_hit_page(tlb_entry->addr_code, page);
+}
 
-    /* Check if we need to flush due to large pages.  */
-    if ((addr & env->tlb_flush_mask) == env->tlb_flush_addr) {
-        tlb_debug("forcing full flush ("
-                  TARGET_FMT_lx "/" TARGET_FMT_lx ")\n",
-                  env->tlb_flush_addr, env->tlb_flush_mask);
+/**
+ * tlb_entry_is_empty - return true if the entry is not in use
+ * @te: pointer to CPUTLBEntry
+ */
+static inline bool tlb_entry_is_empty(const CPUTLBEntry *te)
+{
+    return te->addr_read == -1 && te->addr_write == -1 && te->addr_code == -1;
+}
 
-        tlb_flush(cpu);
-        return;
+/* Called with tlb_c.lock held */
+static inline bool tlb_flush_entry_locked(CPUTLBEntry *tlb_entry,
+                                          target_ulong page)
+{
+    if (tlb_hit_page_anyprot(tlb_entry, page)) {
+        memset(tlb_entry, -1, sizeof(*tlb_entry));
+        return true;
     }
+    return false;
+}
 
-    addr &= TARGET_PAGE_MASK;
-    i = (addr >> TARGET_PAGE_BITS) & (CPU_TLB_SIZE - 1);
-    for (mmu_idx = 0; mmu_idx < NB_MMU_MODES; mmu_idx++) {
-        tlb_flush_entry(&env->tlb_table[mmu_idx][i], addr);
-    }
+/* Called with tlb_c.lock held */
+static inline void tlb_flush_vtlb_page_locked(CPUArchState *env, int mmu_idx,
+                                              target_ulong page)
+{
+    int k;
 
-    /* check whether there are entries that need to be flushed in the vtlb */
-    for (mmu_idx = 0; mmu_idx < NB_MMU_MODES; mmu_idx++) {
-        int k;
-        for (k = 0; k < CPU_VTLB_SIZE; k++) {
-            tlb_flush_entry(&env->tlb_v_table[mmu_idx][k], addr);
+    assert_cpu_is_self(ENV_GET_CPU(env));
+    for (k = 0; k < CPU_VTLB_SIZE; k++) {
+        if (tlb_flush_entry_locked(&env->tlb_v_table[mmu_idx][k], page)) {
+            tlb_n_used_entries_dec(env, mmu_idx);
         }
     }
-
-    tb_flush_jmp_cache(cpu, addr);
 }
 
-void tlb_flush_page(CPUState *cpu, target_ulong addr)
+static void tlb_flush_page_locked(CPUArchState *env, int midx,
+                                  target_ulong page)
 {
-    tlb_debug("page :" TARGET_FMT_lx "\n", addr);
+    target_ulong lp_addr = env->tlb_d[midx].large_page_addr;
+    target_ulong lp_mask = env->tlb_d[midx].large_page_mask;
 
-    if (!qemu_cpu_is_self(cpu)) {
-        async_run_on_cpu(cpu, tlb_flush_page_async_work,
-                         RUN_ON_CPU_TARGET_PTR(addr));
+    /* Check if we need to flush due to large pages.  */
+    if ((page & lp_mask) == lp_addr) {
+        tlb_debug("forcing full flush midx %d ("
+                  TARGET_FMT_lx "/" TARGET_FMT_lx ")\n",
+                  midx, lp_addr, lp_mask);
+        tlb_flush_one_mmuidx_locked(env, midx);
     } else {
-        tlb_flush_page_async_work(cpu, RUN_ON_CPU_TARGET_PTR(addr));
+        if (tlb_flush_entry_locked(tlb_entry(env, midx, page), page)) {
+            tlb_n_used_entries_dec(env, midx);
+        }
+        tlb_flush_vtlb_page_locked(env, midx, page);
     }
 }
 
@@ -319,52 +452,24 @@ static void tlb_flush_page_by_mmuidx_async_work(CPUState *cpu,
     target_ulong addr_and_mmuidx = (target_ulong) data.target_ptr;
     target_ulong addr = addr_and_mmuidx & TARGET_PAGE_MASK;
     unsigned long mmu_idx_bitmap = addr_and_mmuidx & ALL_MMUIDX_BITS;
-    int page = (addr >> TARGET_PAGE_BITS) & (CPU_TLB_SIZE - 1);
     int mmu_idx;
-    int i;
 
     assert_cpu_is_self(cpu);
 
-    tlb_debug("page:%d addr:"TARGET_FMT_lx" mmu_idx:0x%lx\n",
-              page, addr, mmu_idx_bitmap);
+    tlb_debug("page addr:" TARGET_FMT_lx " mmu_map:0x%lx\n",
+              addr, mmu_idx_bitmap);
 
+    qemu_spin_lock(&env->tlb_c.lock);
     for (mmu_idx = 0; mmu_idx < NB_MMU_MODES; mmu_idx++) {
         if (test_bit(mmu_idx, &mmu_idx_bitmap)) {
-            tlb_flush_entry(&env->tlb_table[mmu_idx][page], addr);
-
-            /* check whether there are vltb entries that need to be flushed */
-            for (i = 0; i < CPU_VTLB_SIZE; i++) {
-                tlb_flush_entry(&env->tlb_v_table[mmu_idx][i], addr);
-            }
+            tlb_flush_page_locked(env, mmu_idx, addr);
         }
     }
+    qemu_spin_unlock(&env->tlb_c.lock);
 
     tb_flush_jmp_cache(cpu, addr);
 }
 
-static void tlb_check_page_and_flush_by_mmuidx_async_work(CPUState *cpu,
-                                                          run_on_cpu_data data)
-{
-    CPUArchState *env = cpu->env_ptr;
-    target_ulong addr_and_mmuidx = (target_ulong) data.target_ptr;
-    target_ulong addr = addr_and_mmuidx & TARGET_PAGE_MASK;
-    unsigned long mmu_idx_bitmap = addr_and_mmuidx & ALL_MMUIDX_BITS;
-
-    tlb_debug("addr:"TARGET_FMT_lx" mmu_idx: %04lx\n", addr, mmu_idx_bitmap);
-
-    /* Check if we need to flush due to large pages.  */
-    if ((addr & env->tlb_flush_mask) == env->tlb_flush_addr) {
-        tlb_debug("forced full flush ("
-                  TARGET_FMT_lx "/" TARGET_FMT_lx ")\n",
-                  env->tlb_flush_addr, env->tlb_flush_mask);
-
-        tlb_flush_by_mmuidx_async_work(cpu,
-                                       RUN_ON_CPU_HOST_INT(mmu_idx_bitmap));
-    } else {
-        tlb_flush_page_by_mmuidx_async_work(cpu, data);
-    }
-}
-
 void tlb_flush_page_by_mmuidx(CPUState *cpu, target_ulong addr, uint16_t idxmap)
 {
     target_ulong addr_and_mmu_idx;
@@ -376,18 +481,23 @@ void tlb_flush_page_by_mmuidx(CPUState *cpu, target_ulong addr, uint16_t idxmap)
     addr_and_mmu_idx |= idxmap;
 
     if (!qemu_cpu_is_self(cpu)) {
-        async_run_on_cpu(cpu, tlb_check_page_and_flush_by_mmuidx_async_work,
+        async_run_on_cpu(cpu, tlb_flush_page_by_mmuidx_async_work,
                          RUN_ON_CPU_TARGET_PTR(addr_and_mmu_idx));
     } else {
-        tlb_check_page_and_flush_by_mmuidx_async_work(
+        tlb_flush_page_by_mmuidx_async_work(
             cpu, RUN_ON_CPU_TARGET_PTR(addr_and_mmu_idx));
     }
 }
 
+void tlb_flush_page(CPUState *cpu, target_ulong addr)
+{
+    tlb_flush_page_by_mmuidx(cpu, addr, ALL_MMUIDX_BITS);
+}
+
 void tlb_flush_page_by_mmuidx_all_cpus(CPUState *src_cpu, target_ulong addr,
                                        uint16_t idxmap)
 {
-    const run_on_cpu_func fn = tlb_check_page_and_flush_by_mmuidx_async_work;
+    const run_on_cpu_func fn = tlb_flush_page_by_mmuidx_async_work;
     target_ulong addr_and_mmu_idx;
 
     tlb_debug("addr: "TARGET_FMT_lx" mmu_idx:%"PRIx16"\n", addr, idxmap);
@@ -400,11 +510,16 @@ void tlb_flush_page_by_mmuidx_all_cpus(CPUState *src_cpu, target_ulong addr,
     fn(src_cpu, RUN_ON_CPU_TARGET_PTR(addr_and_mmu_idx));
 }
 
+void tlb_flush_page_all_cpus(CPUState *src, target_ulong addr)
+{
+    tlb_flush_page_by_mmuidx_all_cpus(src, addr, ALL_MMUIDX_BITS);
+}
+
 void tlb_flush_page_by_mmuidx_all_cpus_synced(CPUState *src_cpu,
-                                                            target_ulong addr,
-                                                            uint16_t idxmap)
+                                              target_ulong addr,
+                                              uint16_t idxmap)
 {
-    const run_on_cpu_func fn = tlb_check_page_and_flush_by_mmuidx_async_work;
+    const run_on_cpu_func fn = tlb_flush_page_by_mmuidx_async_work;
     target_ulong addr_and_mmu_idx;
 
     tlb_debug("addr: "TARGET_FMT_lx" mmu_idx:%"PRIx16"\n", addr, idxmap);
@@ -417,21 +532,9 @@ void tlb_flush_page_by_mmuidx_all_cpus_synced(CPUState *src_cpu,
     async_safe_run_on_cpu(src_cpu, fn, RUN_ON_CPU_TARGET_PTR(addr_and_mmu_idx));
 }
 
-void tlb_flush_page_all_cpus(CPUState *src, target_ulong addr)
-{
-    const run_on_cpu_func fn = tlb_flush_page_async_work;
-
-    flush_all_helper(src, fn, RUN_ON_CPU_TARGET_PTR(addr));
-    fn(src, RUN_ON_CPU_TARGET_PTR(addr));
-}
-
-void tlb_flush_page_all_cpus_synced(CPUState *src,
-                                                  target_ulong addr)
+void tlb_flush_page_all_cpus_synced(CPUState *src, target_ulong addr)
 {
-    const run_on_cpu_func fn = tlb_flush_page_async_work;
-
-    flush_all_helper(src, fn, RUN_ON_CPU_TARGET_PTR(addr));
-    async_safe_run_on_cpu(src, fn, RUN_ON_CPU_TARGET_PTR(addr));
+    tlb_flush_page_by_mmuidx_all_cpus_synced(src, addr, ALL_MMUIDX_BITS);
 }
 
 /* update the TLBs so that writes to code in the virtual page 'addr'
@@ -460,72 +563,44 @@ void tlb_unprotect_code(ram_addr_t ram_addr)
  * most usual is detecting writes to code regions which may invalidate
  * generated code.
  *
- * Because we want other vCPUs to respond to changes straight away we
- * update the te->addr_write field atomically. If the TLB entry has
- * been changed by the vCPU in the mean time we skip the update.
+ * Other vCPUs might be reading their TLBs during guest execution, so we update
+ * te->addr_write with atomic_set. We don't need to worry about this for
+ * oversized guests as MTTCG is disabled for them.
  *
- * As this function uses atomic accesses we also need to ensure
- * updates to tlb_entries follow the same access rules. We don't need
- * to worry about this for oversized guests as MTTCG is disabled for
- * them.
+ * Called with tlb_c.lock held.
  */
-
-static void tlb_reset_dirty_range(CPUTLBEntry *tlb_entry, uintptr_t start,
-                           uintptr_t length)
+static void tlb_reset_dirty_range_locked(CPUTLBEntry *tlb_entry,
+                                         uintptr_t start, uintptr_t length)
 {
-#if TCG_OVERSIZED_GUEST
     uintptr_t addr = tlb_entry->addr_write;
 
     if ((addr & (TLB_INVALID_MASK | TLB_MMIO | TLB_NOTDIRTY)) == 0) {
         addr &= TARGET_PAGE_MASK;
         addr += tlb_entry->addend;
         if ((addr - start) < length) {
+#if TCG_OVERSIZED_GUEST
             tlb_entry->addr_write |= TLB_NOTDIRTY;
-        }
-    }
 #else
-    /* paired with atomic_mb_set in tlb_set_page_with_attrs */
-    uintptr_t orig_addr = atomic_mb_read(&tlb_entry->addr_write);
-    uintptr_t addr = orig_addr;
-
-    if ((addr & (TLB_INVALID_MASK | TLB_MMIO | TLB_NOTDIRTY)) == 0) {
-        addr &= TARGET_PAGE_MASK;
-        addr += atomic_read(&tlb_entry->addend);
-        if ((addr - start) < length) {
-            uintptr_t notdirty_addr = orig_addr | TLB_NOTDIRTY;
-            atomic_cmpxchg(&tlb_entry->addr_write, orig_addr, notdirty_addr);
+            atomic_set(&tlb_entry->addr_write,
+                       tlb_entry->addr_write | TLB_NOTDIRTY);
+#endif
         }
     }
-#endif
 }
 
-/* For atomic correctness when running MTTCG we need to use the right
- * primitives when copying entries */
-static inline void copy_tlb_helper(CPUTLBEntry *d, CPUTLBEntry *s,
-                                   bool atomic_set)
+/*
+ * Called with tlb_c.lock held.
+ * Called only from the vCPU context, i.e. the TLB's owner thread.
+ */
+static inline void copy_tlb_helper_locked(CPUTLBEntry *d, const CPUTLBEntry *s)
 {
-#if TCG_OVERSIZED_GUEST
     *d = *s;
-#else
-    if (atomic_set) {
-        d->addr_read = s->addr_read;
-        d->addr_code = s->addr_code;
-        atomic_set(&d->addend, atomic_read(&s->addend));
-        /* Pairs with flag setting in tlb_reset_dirty_range */
-        atomic_mb_set(&d->addr_write, atomic_read(&s->addr_write));
-    } else {
-        d->addr_read = s->addr_read;
-        d->addr_write = atomic_read(&s->addr_write);
-        d->addr_code = s->addr_code;
-        d->addend = atomic_read(&s->addend);
-    }
-#endif
 }
 
 /* This is a cross vCPU call (i.e. another vCPU resetting the flags of
- * the target vCPU). As such care needs to be taken that we don't
- * dangerously race with another vCPU update. The only thing actually
- * updated is the target TLB entry ->addr_write flags.
+ * the target vCPU).
+ * We must take tlb_c.lock to avoid racing with another vCPU update. The only
+ * thing actually updated is the target TLB entry ->addr_write flags.
  */
 void tlb_reset_dirty(CPUState *cpu, ram_addr_t start1, ram_addr_t length)
 {
@@ -534,22 +609,27 @@ void tlb_reset_dirty(CPUState *cpu, ram_addr_t start1, ram_addr_t length)
     int mmu_idx;
 
     env = cpu->env_ptr;
+    qemu_spin_lock(&env->tlb_c.lock);
     for (mmu_idx = 0; mmu_idx < NB_MMU_MODES; mmu_idx++) {
         unsigned int i;
+        unsigned int n = tlb_n_entries(env, mmu_idx);
 
-        for (i = 0; i < CPU_TLB_SIZE; i++) {
-            tlb_reset_dirty_range(&env->tlb_table[mmu_idx][i],
-                                  start1, length);
+        for (i = 0; i < n; i++) {
+            tlb_reset_dirty_range_locked(&env->tlb_table[mmu_idx][i], start1,
+                                         length);
         }
 
         for (i = 0; i < CPU_VTLB_SIZE; i++) {
-            tlb_reset_dirty_range(&env->tlb_v_table[mmu_idx][i],
-                                  start1, length);
+            tlb_reset_dirty_range_locked(&env->tlb_v_table[mmu_idx][i], start1,
+                                         length);
         }
     }
+    qemu_spin_unlock(&env->tlb_c.lock);
 }
 
-static inline void tlb_set_dirty1(CPUTLBEntry *tlb_entry, target_ulong vaddr)
+/* Called with tlb_c.lock held */
+static inline void tlb_set_dirty1_locked(CPUTLBEntry *tlb_entry,
+                                         target_ulong vaddr)
 {
     if (tlb_entry->addr_write == (vaddr | TLB_NOTDIRTY)) {
         tlb_entry->addr_write = vaddr;
@@ -561,46 +641,47 @@ static inline void tlb_set_dirty1(CPUTLBEntry *tlb_entry, target_ulong vaddr)
 void tlb_set_dirty(CPUState *cpu, target_ulong vaddr)
 {
     CPUArchState *env = cpu->env_ptr;
-    int i;
     int mmu_idx;
 
     assert_cpu_is_self(cpu);
 
     vaddr &= TARGET_PAGE_MASK;
-    i = (vaddr >> TARGET_PAGE_BITS) & (CPU_TLB_SIZE - 1);
+    qemu_spin_lock(&env->tlb_c.lock);
     for (mmu_idx = 0; mmu_idx < NB_MMU_MODES; mmu_idx++) {
-        tlb_set_dirty1(&env->tlb_table[mmu_idx][i], vaddr);
+        tlb_set_dirty1_locked(tlb_entry(env, mmu_idx, vaddr), vaddr);
     }
 
     for (mmu_idx = 0; mmu_idx < NB_MMU_MODES; mmu_idx++) {
         int k;
         for (k = 0; k < CPU_VTLB_SIZE; k++) {
-            tlb_set_dirty1(&env->tlb_v_table[mmu_idx][k], vaddr);
+            tlb_set_dirty1_locked(&env->tlb_v_table[mmu_idx][k], vaddr);
         }
     }
+    qemu_spin_unlock(&env->tlb_c.lock);
 }
 
 /* Our TLB does not support large pages, so remember the area covered by
    large pages and trigger a full TLB flush if these are invalidated.  */
-static void tlb_add_large_page(CPUArchState *env, target_ulong vaddr,
-                               target_ulong size)
+static void tlb_add_large_page(CPUArchState *env, int mmu_idx,
+                               target_ulong vaddr, target_ulong size)
 {
-    target_ulong mask = ~(size - 1);
+    target_ulong lp_addr = env->tlb_d[mmu_idx].large_page_addr;
+    target_ulong lp_mask = ~(size - 1);
 
-    if (env->tlb_flush_addr == (target_ulong)-1) {
-        env->tlb_flush_addr = vaddr & mask;
-        env->tlb_flush_mask = mask;
-        return;
-    }
-    /* Extend the existing region to include the new page.
-       This is a compromise between unnecessary flushes and the cost
-       of maintaining a full variable size TLB.  */
-    mask &= env->tlb_flush_mask;
-    while (((env->tlb_flush_addr ^ vaddr) & mask) != 0) {
-        mask <<= 1;
+    if (lp_addr == (target_ulong)-1) {
+        /* No previous large page.  */
+        lp_addr = vaddr;
+    } else {
+        /* Extend the existing region to include the new page.
+           This is a compromise between unnecessary flushes and
+           the cost of maintaining a full variable size TLB.  */
+        lp_mask &= env->tlb_d[mmu_idx].large_page_mask;
+        while (((lp_addr ^ vaddr) & lp_mask) != 0) {
+            lp_mask <<= 1;
+        }
     }
-    env->tlb_flush_addr &= mask;
-    env->tlb_flush_mask = mask;
+    env->tlb_d[mmu_idx].large_page_addr = lp_addr & lp_mask;
+    env->tlb_d[mmu_idx].large_page_mask = lp_mask;
 }
 
 /* Add a new TLB entry. At most one entry for a given virtual address
@@ -620,27 +701,40 @@ void tlb_set_page_with_attrs(CPUState *cpu, target_ulong vaddr,
     target_ulong address;
     target_ulong code_address;
     uintptr_t addend;
-    CPUTLBEntry *te, *tv, tn;
-    hwaddr iotlb, xlat, sz;
-    unsigned vidx = env->vtlb_index++ % CPU_VTLB_SIZE;
+    CPUTLBEntry *te, tn;
+    hwaddr iotlb, xlat, sz, paddr_page;
+    target_ulong vaddr_page;
     int asidx = cpu_asidx_from_attrs(cpu, attrs);
 
     assert_cpu_is_self(cpu);
-    assert(size >= TARGET_PAGE_SIZE);
-    if (size != TARGET_PAGE_SIZE) {
-        tlb_add_large_page(env, vaddr, size);
+
+    if (size <= TARGET_PAGE_SIZE) {
+        sz = TARGET_PAGE_SIZE;
+    } else {
+        tlb_add_large_page(env, mmu_idx, vaddr, size);
+        sz = size;
     }
+    vaddr_page = vaddr & TARGET_PAGE_MASK;
+    paddr_page = paddr & TARGET_PAGE_MASK;
 
-    sz = size;
-    section = address_space_translate_for_iotlb(cpu, asidx, paddr, &xlat, &sz);
+    section = address_space_translate_for_iotlb(cpu, asidx, paddr_page,
+                                                &xlat, &sz, attrs, &prot);
     assert(sz >= TARGET_PAGE_SIZE);
 
     tlb_debug("vaddr=" TARGET_FMT_lx " paddr=0x" TARGET_FMT_plx
               " prot=%x idx=%d\n",
               vaddr, paddr, prot, mmu_idx);
 
-    address = vaddr;
-    if (!memory_region_is_ram(section->mr) && !memory_region_is_romd(section->mr)) {
+    address = vaddr_page;
+    if (size < TARGET_PAGE_SIZE) {
+        /*
+         * Slow-path the TLB entries; we will repeat the MMU check and TLB
+         * fill on every access.
+         */
+        address |= TLB_RECHECK;
+    }
+    if (!memory_region_is_ram(section->mr) &&
+        !memory_region_is_romd(section->mr)) {
         /* IO memory case */
         address |= TLB_MMIO;
         addend = 0;
@@ -650,25 +744,59 @@ void tlb_set_page_with_attrs(CPUState *cpu, target_ulong vaddr,
     }
 
     code_address = address;
-    iotlb = memory_region_section_get_iotlb(cpu, section, vaddr, paddr, xlat,
-                                            prot, &address);
+    iotlb = memory_region_section_get_iotlb(cpu, section, vaddr_page,
+                                            paddr_page, xlat, prot, &address);
+
+    index = tlb_index(env, mmu_idx, vaddr_page);
+    te = tlb_entry(env, mmu_idx, vaddr_page);
+
+    /*
+     * Hold the TLB lock for the rest of the function. We could acquire/release
+     * the lock several times in the function, but it is faster to amortize the
+     * acquisition cost by acquiring it just once. Note that this leads to
+     * a longer critical section, but this is not a concern since the TLB lock
+     * is unlikely to be contended.
+     */
+    qemu_spin_lock(&env->tlb_c.lock);
 
-    index = (vaddr >> TARGET_PAGE_BITS) & (CPU_TLB_SIZE - 1);
-    te = &env->tlb_table[mmu_idx][index];
-    /* do not discard the translation in te, evict it into a victim tlb */
-    tv = &env->tlb_v_table[mmu_idx][vidx];
+    /* Note that the tlb is no longer clean.  */
+    env->tlb_c.dirty |= 1 << mmu_idx;
 
-    /* addr_write can race with tlb_reset_dirty_range */
-    copy_tlb_helper(tv, te, true);
+    /* Make sure there's no cached translation for the new page.  */
+    tlb_flush_vtlb_page_locked(env, mmu_idx, vaddr_page);
 
-    env->iotlb_v[mmu_idx][vidx] = env->iotlb[mmu_idx][index];
+    /*
+     * Only evict the old entry to the victim tlb if it's for a
+     * different page; otherwise just overwrite the stale data.
+     */
+    if (!tlb_hit_page_anyprot(te, vaddr_page) && !tlb_entry_is_empty(te)) {
+        unsigned vidx = env->tlb_d[mmu_idx].vindex++ % CPU_VTLB_SIZE;
+        CPUTLBEntry *tv = &env->tlb_v_table[mmu_idx][vidx];
+
+        /* Evict the old entry into the victim tlb.  */
+        copy_tlb_helper_locked(tv, te);
+        env->iotlb_v[mmu_idx][vidx] = env->iotlb[mmu_idx][index];
+        tlb_n_used_entries_dec(env, mmu_idx);
+    }
 
     /* refill the tlb */
-    env->iotlb[mmu_idx][index].addr = iotlb - vaddr;
+    /*
+     * At this point iotlb contains a physical section number in the lower
+     * TARGET_PAGE_BITS, and either
+     *  + the ram_addr_t of the page base of the target RAM (if NOTDIRTY or ROM)
+     *  + the offset within section->mr of the page base (otherwise)
+     * We subtract the vaddr_page (which is page aligned and thus won't
+     * disturb the low bits) to give an offset which can be added to the
+     * (non-page-aligned) vaddr of the eventual memory access to get
+     * the MemoryRegion offset for the access. Note that the vaddr we
+     * subtract here is that of the page base, and not the same as the
+     * vaddr we add back in io_readx()/io_writex()/get_page_addr_code().
+     */
+    env->iotlb[mmu_idx][index].addr = iotlb - vaddr_page;
     env->iotlb[mmu_idx][index].attrs = attrs;
 
     /* Now calculate the new entry */
-    tn.addend = addend - vaddr;
+    tn.addend = addend - vaddr_page;
     if (prot & PAGE_READ) {
         tn.addr_read = address;
     } else {
@@ -689,7 +817,7 @@ void tlb_set_page_with_attrs(CPUState *cpu, target_ulong vaddr,
             tn.addr_write = address | TLB_MMIO;
         } else if (memory_region_is_ram(section->mr)
                    && cpu_physical_memory_is_clean(
-                        memory_region_get_ram_addr(section->mr) + xlat)) {
+                       memory_region_get_ram_addr(section->mr) + xlat)) {
             tn.addr_write = address | TLB_NOTDIRTY;
         } else {
             tn.addr_write = address;
@@ -699,9 +827,9 @@ void tlb_set_page_with_attrs(CPUState *cpu, target_ulong vaddr,
         }
     }
 
-    /* Pairs with flag setting in tlb_reset_dirty_range */
-    copy_tlb_helper(te, &tn, true);
-    /* atomic_mb_set(&te->addr_write, write_address); */
+    copy_tlb_helper_locked(te, &tn);
+    tlb_n_used_entries_inc(env, mmu_idx);
+    qemu_spin_unlock(&env->tlb_c.lock);
 }
 
 /* Add a new TLB entry, but without specifying the memory
@@ -715,39 +843,6 @@ void tlb_set_page(CPUState *cpu, target_ulong vaddr,
                             prot, mmu_idx, size);
 }
 
-static void report_bad_exec(CPUState *cpu, target_ulong addr)
-{
-    /* Accidentally executing outside RAM or ROM is quite common for
-     * several user-error situations, so report it in a way that
-     * makes it clear that this isn't a QEMU bug and provide suggestions
-     * about what a user could do to fix things.
-     */
-    error_report("Trying to execute code outside RAM or ROM at 0x"
-                 TARGET_FMT_lx, addr);
-    error_printf("This usually means one of the following happened:\n\n"
-                 "(1) You told QEMU to execute a kernel for the wrong machine "
-                 "type, and it crashed on startup (eg trying to run a "
-                 "raspberry pi kernel on a versatilepb QEMU machine)\n"
-                 "(2) You didn't give QEMU a kernel or BIOS filename at all, "
-                 "and QEMU executed a ROM full of no-op instructions until "
-                 "it fell off the end\n"
-                 "(3) Your guest kernel has a bug and crashed by jumping "
-                 "off into nowhere\n\n"
-                 "This is almost always one of the first two, so check your "
-                 "command line and that you are using the right type of kernel "
-                 "for this machine.\n"
-                 "If you think option (3) is likely then you can try debugging "
-                 "your guest with the -d debug options; in particular "
-                 "-d guest_errors will cause the log to include a dump of the "
-                 "guest register state at this point.\n\n"
-                 "Execution cannot continue; stopping here.\n\n");
-
-    /* Report also to the logs, with more detail including register dump */
-    qemu_log_mask(LOG_GUEST_ERROR, "qemu: fatal: Trying to execute code "
-                  "outside RAM or ROM at 0x" TARGET_FMT_lx "\n", addr);
-    log_cpu_state_mask(LOG_GUEST_ERROR, cpu, CPU_DUMP_FPU | CPU_DUMP_CCOP);
-}
-
 static inline ram_addr_t qemu_ram_addr_from_host_nofail(void *ptr)
 {
     ram_addr_t ram_addr;
@@ -760,33 +855,85 @@ static inline ram_addr_t qemu_ram_addr_from_host_nofail(void *ptr)
     return ram_addr;
 }
 
+/*
+ * Note: tlb_fill() can trigger a resize of the TLB. This means that all of the
+ * caller's prior references to the TLB table (e.g. CPUTLBEntry pointers) must
+ * be discarded and looked up again (e.g. via tlb_entry()).
+ */
+static void tlb_fill(CPUState *cpu, target_ulong addr, int size,
+                     MMUAccessType access_type, int mmu_idx, uintptr_t retaddr)
+{
+    CPUClass *cc = CPU_GET_CLASS(cpu);
+    bool ok;
+
+    /*
+     * This is not a probe, so only valid return is success; failure
+     * should result in exception + longjmp to the cpu loop.
+     */
+    ok = cc->tlb_fill(cpu, addr, size, access_type, mmu_idx, false, retaddr);
+    assert(ok);
+}
+
 static uint64_t io_readx(CPUArchState *env, CPUIOTLBEntry *iotlbentry,
                          int mmu_idx,
-                         target_ulong addr, uintptr_t retaddr, int size)
+                         target_ulong addr, uintptr_t retaddr,
+                         bool recheck, MMUAccessType access_type, int size)
 {
     CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);
-    hwaddr physaddr = iotlbentry->addr;
-    MemoryRegion *mr = iotlb_to_region(cpu, physaddr, iotlbentry->attrs);
+    hwaddr mr_offset;
+    MemoryRegionSection *section;
+    MemoryRegion *mr;
     uint64_t val;
     bool locked = false;
     MemTxResult r;
 
-    physaddr = (physaddr & TARGET_PAGE_MASK) + addr;
+    if (recheck) {
+        /*
+         * This is a TLB_RECHECK access, where the MMU protection
+         * covers a smaller range than a target page, and we must
+         * repeat the MMU check here. This tlb_fill() call might
+         * longjump out if this access should cause a guest exception.
+         */
+        CPUTLBEntry *entry;
+        target_ulong tlb_addr;
+
+        tlb_fill(cpu, addr, size, access_type, mmu_idx, retaddr);
+
+        entry = tlb_entry(env, mmu_idx, addr);
+        tlb_addr = (access_type == MMU_DATA_LOAD ?
+                    entry->addr_read : entry->addr_code);
+        if (!(tlb_addr & ~(TARGET_PAGE_MASK | TLB_RECHECK))) {
+            /* RAM access */
+            uintptr_t haddr = addr + entry->addend;
+
+            return ldn_p((void *)haddr, size);
+        }
+        /* Fall through for handling IO accesses */
+    }
+
+    section = iotlb_to_section(cpu, iotlbentry->addr, iotlbentry->attrs);
+    mr = section->mr;
+    mr_offset = (iotlbentry->addr & TARGET_PAGE_MASK) + addr;
     cpu->mem_io_pc = retaddr;
     if (mr != &io_mem_rom && mr != &io_mem_notdirty && !cpu->can_do_io) {
         cpu_io_recompile(cpu, retaddr);
     }
 
     cpu->mem_io_vaddr = addr;
+    cpu->mem_io_access_type = access_type;
 
     if (mr->global_locking && !qemu_mutex_iothread_locked()) {
         qemu_mutex_lock_iothread();
         locked = true;
     }
-    r = memory_region_dispatch_read(mr, physaddr,
+    r = memory_region_dispatch_read(mr, mr_offset,
                                     &val, size, iotlbentry->attrs);
     if (r != MEMTX_OK) {
-        cpu_transaction_failed(cpu, physaddr, addr, size, MMU_DATA_LOAD,
+        hwaddr physaddr = mr_offset +
+            section->offset_within_address_space -
+            section->offset_within_region;
+
+        cpu_transaction_failed(cpu, physaddr, addr, size, access_type,
                                mmu_idx, iotlbentry->attrs, r, retaddr);
     }
     if (locked) {
@@ -799,15 +946,42 @@ static uint64_t io_readx(CPUArchState *env, CPUIOTLBEntry *iotlbentry,
 static void io_writex(CPUArchState *env, CPUIOTLBEntry *iotlbentry,
                       int mmu_idx,
                       uint64_t val, target_ulong addr,
-                      uintptr_t retaddr, int size)
+                      uintptr_t retaddr, bool recheck, int size)
 {
     CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);
-    hwaddr physaddr = iotlbentry->addr;
-    MemoryRegion *mr = iotlb_to_region(cpu, physaddr, iotlbentry->attrs);
+    hwaddr mr_offset;
+    MemoryRegionSection *section;
+    MemoryRegion *mr;
     bool locked = false;
     MemTxResult r;
 
-    physaddr = (physaddr & TARGET_PAGE_MASK) + addr;
+    if (recheck) {
+        /*
+         * This is a TLB_RECHECK access, where the MMU protection
+         * covers a smaller range than a target page, and we must
+         * repeat the MMU check here. This tlb_fill() call might
+         * longjump out if this access should cause a guest exception.
+         */
+        CPUTLBEntry *entry;
+        target_ulong tlb_addr;
+
+        tlb_fill(cpu, addr, size, MMU_DATA_STORE, mmu_idx, retaddr);
+
+        entry = tlb_entry(env, mmu_idx, addr);
+        tlb_addr = tlb_addr_write(entry);
+        if (!(tlb_addr & ~(TARGET_PAGE_MASK | TLB_RECHECK))) {
+            /* RAM access */
+            uintptr_t haddr = addr + entry->addend;
+
+            stn_p((void *)haddr, size, val);
+            return;
+        }
+        /* Fall through for handling IO accesses */
+    }
+
+    section = iotlb_to_section(cpu, iotlbentry->addr, iotlbentry->attrs);
+    mr = section->mr;
+    mr_offset = (iotlbentry->addr & TARGET_PAGE_MASK) + addr;
     if (mr != &io_mem_rom && mr != &io_mem_notdirty && !cpu->can_do_io) {
         cpu_io_recompile(cpu, retaddr);
     }
@@ -818,9 +992,13 @@ static void io_writex(CPUArchState *env, CPUIOTLBEntry *iotlbentry,
         qemu_mutex_lock_iothread();
         locked = true;
     }
-    r = memory_region_dispatch_write(mr, physaddr,
+    r = memory_region_dispatch_write(mr, mr_offset,
                                      val, size, iotlbentry->attrs);
     if (r != MEMTX_OK) {
+        hwaddr physaddr = mr_offset +
+            section->offset_within_address_space -
+            section->offset_within_region;
+
         cpu_transaction_failed(cpu, physaddr, addr, size, MMU_DATA_STORE,
                                mmu_idx, iotlbentry->attrs, r, retaddr);
     }
@@ -829,23 +1007,37 @@ static void io_writex(CPUArchState *env, CPUIOTLBEntry *iotlbentry,
     }
 }
 
+static inline target_ulong tlb_read_ofs(CPUTLBEntry *entry, size_t ofs)
+{
+#if TCG_OVERSIZED_GUEST
+    return *(target_ulong *)((uintptr_t)entry + ofs);
+#else
+    /* ofs might correspond to .addr_write, so use atomic_read */
+    return atomic_read((target_ulong *)((uintptr_t)entry + ofs));
+#endif
+}
+
 /* Return true if ADDR is present in the victim tlb, and has been copied
    back to the main tlb.  */
 static bool victim_tlb_hit(CPUArchState *env, size_t mmu_idx, size_t index,
                            size_t elt_ofs, target_ulong page)
 {
     size_t vidx;
+
+    assert_cpu_is_self(ENV_GET_CPU(env));
     for (vidx = 0; vidx < CPU_VTLB_SIZE; ++vidx) {
         CPUTLBEntry *vtlb = &env->tlb_v_table[mmu_idx][vidx];
-        target_ulong cmp = *(target_ulong *)((uintptr_t)vtlb + elt_ofs);
+        target_ulong cmp = tlb_read_ofs(vtlb, elt_ofs);
 
         if (cmp == page) {
             /* Found entry in victim tlb, swap tlb and iotlb.  */
             CPUTLBEntry tmptlb, *tlb = &env->tlb_table[mmu_idx][index];
 
-            copy_tlb_helper(&tmptlb, tlb, false);
-            copy_tlb_helper(tlb, vtlb, true);
-            copy_tlb_helper(vtlb, &tmptlb, true);
+            qemu_spin_lock(&env->tlb_c.lock);
+            copy_tlb_helper_locked(&tmptlb, tlb);
+            copy_tlb_helper_locked(tlb, vtlb);
+            copy_tlb_helper_locked(vtlb, &tmptlb);
+            qemu_spin_unlock(&env->tlb_c.lock);
 
             CPUIOTLBEntry tmpio, *io = &env->iotlb[mmu_idx][index];
             CPUIOTLBEntry *vio = &env->iotlb_v[mmu_idx][vidx];
@@ -868,57 +1060,33 @@ static bool victim_tlb_hit(CPUArchState *env, size_t mmu_idx, size_t index,
  */
 tb_page_addr_t get_page_addr_code(CPUArchState *env, target_ulong addr)
 {
-    int mmu_idx, index, pd;
+    uintptr_t mmu_idx = cpu_mmu_index(env, true);
+    uintptr_t index = tlb_index(env, mmu_idx, addr);
+    CPUTLBEntry *entry = tlb_entry(env, mmu_idx, addr);
     void *p;
-    MemoryRegion *mr;
-    CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);
-    CPUIOTLBEntry *iotlbentry;
-    hwaddr physaddr;
-
-    index = (addr >> TARGET_PAGE_BITS) & (CPU_TLB_SIZE - 1);
-    mmu_idx = cpu_mmu_index(env, true);
-    if (unlikely(env->tlb_table[mmu_idx][index].addr_code !=
-                 (addr & (TARGET_PAGE_MASK | TLB_INVALID_MASK)))) {
-        if (!VICTIM_TLB_HIT(addr_read, addr)) {
-            tlb_fill(ENV_GET_CPU(env), addr, MMU_INST_FETCH, mmu_idx, 0);
+
+    if (unlikely(!tlb_hit(entry->addr_code, addr))) {
+        if (!VICTIM_TLB_HIT(addr_code, addr)) {
+            tlb_fill(ENV_GET_CPU(env), addr, 0, MMU_INST_FETCH, mmu_idx, 0);
+            index = tlb_index(env, mmu_idx, addr);
+            entry = tlb_entry(env, mmu_idx, addr);
         }
+        assert(tlb_hit(entry->addr_code, addr));
     }
-    iotlbentry = &env->iotlb[mmu_idx][index];
-    pd = iotlbentry->addr & ~TARGET_PAGE_MASK;
-    mr = iotlb_to_region(cpu, pd, iotlbentry->attrs);
-    if (memory_region_is_unassigned(mr)) {
-        qemu_mutex_lock_iothread();
-        if (memory_region_request_mmio_ptr(mr, addr)) {
-            qemu_mutex_unlock_iothread();
-            /* A MemoryRegion is potentially added so re-run the
-             * get_page_addr_code.
-             */
-            return get_page_addr_code(env, addr);
-        }
-        qemu_mutex_unlock_iothread();
 
-        /* Give the new-style cpu_transaction_failed() hook first chance
-         * to handle this.
-         * This is not the ideal place to detect and generate CPU
-         * exceptions for instruction fetch failure (for instance
-         * we don't know the length of the access that the CPU would
-         * use, and it would be better to go ahead and try the access
-         * and use the MemTXResult it produced). However it is the
-         * simplest place we have currently available for the check.
-         */
-        physaddr = (iotlbentry->addr & TARGET_PAGE_MASK) + addr;
-        cpu_transaction_failed(cpu, physaddr, addr, 0, MMU_INST_FETCH, mmu_idx,
-                               iotlbentry->attrs, MEMTX_DECODE_ERROR, 0);
-
-        cpu_unassigned_access(cpu, addr, false, true, 0, 4);
-        /* The CPU's unassigned access hook might have longjumped out
-         * with an exception. If it didn't (or there was no hook) then
-         * we can't proceed further.
+    if (unlikely(entry->addr_code & (TLB_RECHECK | TLB_MMIO))) {
+        /*
+         * Return -1 if we can't translate and execute from an entire
+         * page of RAM here, which will cause us to execute by loading
+         * and translating one insn at a time, without caching:
+         *  - TLB_RECHECK: means the MMU protection covers a smaller range
+         *    than a target page, so we must redo the MMU check every insn
+         *  - TLB_MMIO: region is not backed by RAM
          */
-        report_bad_exec(cpu, addr);
-        exit(1);
+        return -1;
     }
-    p = (void *)((uintptr_t)addr + env->tlb_table[mmu_idx][index].addend);
+
+    p = (void *)((uintptr_t)addr + entry->addend);
     return qemu_ram_addr_from_host_nofail(p);
 }
 
@@ -928,19 +1096,69 @@ tb_page_addr_t get_page_addr_code(CPUArchState *env, target_ulong addr)
  * Otherwise the function will return, and there will be a valid
  * entry in the TLB for this access.
  */
-void probe_write(CPUArchState *env, target_ulong addr, int mmu_idx,
+void probe_write(CPUArchState *env, target_ulong addr, int size, int mmu_idx,
                  uintptr_t retaddr)
 {
-    int index = (addr >> TARGET_PAGE_BITS) & (CPU_TLB_SIZE - 1);
-    target_ulong tlb_addr = env->tlb_table[mmu_idx][index].addr_write;
+    uintptr_t index = tlb_index(env, mmu_idx, addr);
+    CPUTLBEntry *entry = tlb_entry(env, mmu_idx, addr);
 
-    if ((addr & TARGET_PAGE_MASK)
-        != (tlb_addr & (TARGET_PAGE_MASK | TLB_INVALID_MASK))) {
+    if (!tlb_hit(tlb_addr_write(entry), addr)) {
         /* TLB entry is for a different page */
         if (!VICTIM_TLB_HIT(addr_write, addr)) {
-            tlb_fill(ENV_GET_CPU(env), addr, MMU_DATA_STORE, mmu_idx, retaddr);
+            tlb_fill(ENV_GET_CPU(env), addr, size, MMU_DATA_STORE,
+                     mmu_idx, retaddr);
+        }
+    }
+}
+
+void *tlb_vaddr_to_host(CPUArchState *env, abi_ptr addr,
+                        MMUAccessType access_type, int mmu_idx)
+{
+    CPUTLBEntry *entry = tlb_entry(env, mmu_idx, addr);
+    uintptr_t tlb_addr, page;
+    size_t elt_ofs;
+
+    switch (access_type) {
+    case MMU_DATA_LOAD:
+        elt_ofs = offsetof(CPUTLBEntry, addr_read);
+        break;
+    case MMU_DATA_STORE:
+        elt_ofs = offsetof(CPUTLBEntry, addr_write);
+        break;
+    case MMU_INST_FETCH:
+        elt_ofs = offsetof(CPUTLBEntry, addr_code);
+        break;
+    default:
+        g_assert_not_reached();
+    }
+
+    page = addr & TARGET_PAGE_MASK;
+    tlb_addr = tlb_read_ofs(entry, elt_ofs);
+
+    if (!tlb_hit_page(tlb_addr, page)) {
+        uintptr_t index = tlb_index(env, mmu_idx, addr);
+
+        if (!victim_tlb_hit(env, mmu_idx, index, elt_ofs, page)) {
+            CPUState *cs = ENV_GET_CPU(env);
+            CPUClass *cc = CPU_GET_CLASS(cs);
+
+            if (!cc->tlb_fill(cs, addr, 0, access_type, mmu_idx, true, 0)) {
+                /* Non-faulting page table read failed.  */
+                return NULL;
+            }
+
+            /* TLB resize via tlb_fill may have moved the entry.  */
+            entry = tlb_entry(env, mmu_idx, addr);
         }
+        tlb_addr = tlb_read_ofs(entry, elt_ofs);
+    }
+
+    if (tlb_addr & ~TARGET_PAGE_MASK) {
+        /* IO access */
+        return NULL;
     }
+
+    return (void *)((uintptr_t)addr + entry->addend);
 }
 
 /* Probe for a read-modify-write atomic operation.  Do not allow unaligned
@@ -950,9 +1168,9 @@ static void *atomic_mmu_lookup(CPUArchState *env, target_ulong addr,
                                NotDirtyInfo *ndi)
 {
     size_t mmu_idx = get_mmuidx(oi);
-    size_t index = (addr >> TARGET_PAGE_BITS) & (CPU_TLB_SIZE - 1);
-    CPUTLBEntry *tlbe = &env->tlb_table[mmu_idx][index];
-    target_ulong tlb_addr = tlbe->addr_write;
+    uintptr_t index = tlb_index(env, mmu_idx, addr);
+    CPUTLBEntry *tlbe = tlb_entry(env, mmu_idx, addr);
+    target_ulong tlb_addr = tlb_addr_write(tlbe);
     TCGMemOp mop = get_memop(oi);
     int a_bits = get_alignment_bits(mop);
     int s_bits = mop & MO_SIZE;
@@ -978,16 +1196,18 @@ static void *atomic_mmu_lookup(CPUArchState *env, target_ulong addr,
     }
 
     /* Check TLB entry and enforce page permissions.  */
-    if ((addr & TARGET_PAGE_MASK)
-        != (tlb_addr & (TARGET_PAGE_MASK | TLB_INVALID_MASK))) {
+    if (!tlb_hit(tlb_addr, addr)) {
         if (!VICTIM_TLB_HIT(addr_write, addr)) {
-            tlb_fill(ENV_GET_CPU(env), addr, MMU_DATA_STORE, mmu_idx, retaddr);
+            tlb_fill(ENV_GET_CPU(env), addr, 1 << s_bits, MMU_DATA_STORE,
+                     mmu_idx, retaddr);
+            index = tlb_index(env, mmu_idx, addr);
+            tlbe = tlb_entry(env, mmu_idx, addr);
         }
-        tlb_addr = tlbe->addr_write & ~TLB_INVALID_MASK;
+        tlb_addr = tlb_addr_write(tlbe) & ~TLB_INVALID_MASK;
     }
 
-    /* Notice an IO access  */
-    if (unlikely(tlb_addr & TLB_MMIO)) {
+    /* Notice an IO access or a needs-MMU-lookup access */
+    if (unlikely(tlb_addr & (TLB_MMIO | TLB_RECHECK))) {
         /* There's really nothing that can be done to
            support this apart from stop-the-world.  */
         goto stop_the_world;
@@ -995,7 +1215,8 @@ static void *atomic_mmu_lookup(CPUArchState *env, target_ulong addr,
 
     /* Let the guest notice RMW on a write-only page.  */
     if (unlikely(tlbe->addr_read != (tlb_addr & ~TLB_NOTDIRTY))) {
-        tlb_fill(ENV_GET_CPU(env), addr, MMU_DATA_LOAD, mmu_idx, retaddr);
+        tlb_fill(ENV_GET_CPU(env), addr, 1 << s_bits, MMU_DATA_LOAD,
+                 mmu_idx, retaddr);
         /* Since we don't support reads and writes to different addresses,
            and we do have the proper page loaded for write, this shouldn't
            ever return.  But just in case, handle via stop-the-world.  */
@@ -1069,7 +1290,7 @@ static void *atomic_mmu_lookup(CPUArchState *env, target_ulong addr,
 #include "atomic_template.h"
 #endif
 
-#ifdef CONFIG_ATOMIC128
+#if HAVE_CMPXCHG128 || HAVE_ATOMIC128
 #define DATA_SIZE 16
 #include "atomic_template.h"
 #endif