【ARM Cache 与 MMU 系列文章 7.6 -- ARMv8 MMU 配置 寄存器使用介绍】

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ARM MMU 的配置主要用到了下面4个寄存器

MMU 转换控制寄存器 TCR_ELx

在ARMv8/v架构中，TCR_ELx（Translation Control Register at Exception Level x）寄存器用于控制地址转换的操作。这些控制包括页表的大小、地址空间的大小、以及内存区域的可缓存性和共享性等方面。TCR_ELx寄存器对于配置和优化系统的内存管理至关重要。

• bit[5:0]: 用于配置使用多少位地址宽度，比如，要使用40位的地址宽度，那么 T0SZ=64-40=24.
• bits [9:8] Inner cacheability attribute for memory associated with translation table walks
  • 0b00 Normal memory, Inner Non-cacheable.
  • 0b01 Normal memory, Inner Write-Back Read-Allocate Write-Allocate Cacheable.
  • 0b10 Normal memory, Inner Write-Through Read-Allocate No Write-Allocate Cacheable.
  • 0b11 Normal memory, Inner Write-Back Read-Allocate No Write-Allocate Cacheable.
• bits [11:10]：Outer cacheability attribute for memory associated with translation table walks：
  • 0b00 Normal memory, Outer Non-cacheable.
  • 0b01 Normal memory, Outer Write-Back Read-Allocate Write-Allocate Cacheable.
  • 0b10 Normal memory, Outer Write-Through Read-Allocate No Write-Allocate Cacheable.
  • 0b11 Normal memory, Outer Write-Back Read-Allocate No Write-Allocate Cacheable.
• bits [13:12]：由于 translation table 经常被访问且只需要在cluster内部使用所以可以将其配置为 Inner Shareable，cache coherent 可以避免掉对cache的操作。
  • 0b00 Non-shareable.
  • 0b10 Outer Shareable.
  • 0b11 Inner Shareable.
• bit[15:14]: 用于配置物理页颗粒(Granule size )的大小，比如要使用4K的页面，就需要将这两位配置为0即可；
  • 0b00 4KB.
  • 0b01 64KB.
  • 0b10 16KB.
• bit[18:16]: 用于配置物理空间地址大小：
  • 0b000 32 bits, 4GB.
  • 0b001 36 bits, 64GB.
  • 0b010 40 bits, 1TB.
  • 0b011 42 bits, 4TB.
  • 0b100 44 bits, 16TB.
  • 0b101 48 bits, 256TB.
  • 0b110 52 bits, 4PB.

TCR_ELx 概览

TCR_ELx寄存器中包含多个字段，这些字段影响地址转换和内存访问的不同方面。以下是一些主要字段的简介：

• T0SZ 和 T1SZ: 分别控制第0级和第1级的输入地址空间的大小。它们指定的是地址空间顶部未使用的位数，从而间接地定义了地址空间的大小。
• TG0 和 TG1: 分别设置第0级和第1级页表的粒度（页大小），比如4KB、16KB或64KB。
• IPS: 设置物理地址位宽，例如32位、36位、40位等，影响可访问的物理内存范围。
• SH0 和 SH1: 定义第0级和第1级页表条目的Shareability属性，指示内存区域是否可以在多个处理器核心间共享。
• ORGN0, ORGN1, IRGN0, IRGN1: 分别设置第0级和第1级页表的Outer和Inner缓存策略，包括Non-cacheable、Write-Back、Write-Through等。

TCR_ELx 寄存器字段详解

以下是TCR_ELx中一些关键字段的更详细说明：

• T0SZ 和 T1SZ（Translation Size）: 它们确定了两个不同的转换表（页表）覆盖的虚拟地址空间的大小。例如，如果T0SZ为25，则第0级的地址空间大小是[2^(64-25)]字节。
• TG0 和 TG1（Translation Granule）: 这些值确定页表项所描述的页的大小。常见的页大小有4KB、16KB和64KB。页的大小影响页表的总体层级和每个页表项所能覆盖的内存大小。
• IPS（Intermediate Physical Address Size）: 这个字段指定系统使用的最大物理地址位数。较大的物理地址允许系统访问更多的物理内存。
• SH0 和 SH1（Shareability）: 这些字段决定内存访问是否可以在多个处理器之间共享。共享性设置有助于在多核处理器系统中维护内存的一致性。
• ORGN0, ORGN1, IRGN0, IRGN1（Outer and Inner Cacheability）: 这些字段控制缓存策略，包括是否缓存以及使用何种缓存模式（如Write-Back或Write-Through）。

TCR 使用示例

假设需要为一个具有64KB页大小、使用48位虚拟地址和40位物理地址的系统配置TCR_EL1：

TCR_EL1.T0SZ = 16     // 设置虚拟地址空间为48位（64 - 16）
TCR_EL1.TG0 = 2       // 设置第0级页表粒度为64KB
TCR_EL1.IPS = 2       // 设置物理地址大小为40位
TCR_EL1.SH0 = 3       // 设置第0级页表条目为内部共享
TCR_EL1.ORGN0 = 1     // 设置第0级页表条目的外部缓存策略为Write-Back
TCR_EL1.IRGN0 = 1     // 设置第0级页表条目的内部缓存策略为Write-Back

此配置示例中，我们配置了一套页表来覆盖48位的虚拟地址空间，使用64KB的页大小，并且页表条目使用内部共享和Write-Back缓存策略。

Normal Memory

"Normal Memory"是对比于"Device Memory"的一种内存类型。Normal Memory通常用于存储应用数据和代码，而Device Memory则用于映射到设备寄存器。Normal Memory允许缓存和重新排序访问，从而提高效率。

Cacheable

Cacheable属性指示内存访问可以被缓存。这种属性可以进一步细分为以下类型：

• Write-Back (WB) Read-Allocate Write-Allocate Cacheable: 这是最常见的缓存类型，它在读操作时分配缓存行，在写操作时也分配缓存行。在写操作时，数据首先被写入到缓存中，然后在某个时刻异步地被写回到主存储器。这种方式可以减少访问主存储器的次数，提高性能。
• Write-Through (WT) Cacheable: 在这种模式下，数据在写操作时同时写入缓存和主存储器。这确保了主存储器中的数据总是最新的，但可能会牺牲一些写操作的性能。

Shareability

Shareability属性定义了内存区域的共享级别。ARMv8定义了三种共享级别：

• Non-Shareable: 这表示内存区域不被多个处理器核心共享。在单核心系统中，或者在不需要在核心之间共享该内存区域的情况下，可以使用此属性。
• Outer Shareable: 这表示内存区域可以在一组处理器核心之间共享，这组核心共享同一个外部（Level 2 或更高级别）缓存。
• Inner Shareable: 这表示内存区域可以在一组处理器核心之间共享，这组核心共享同一个内部（Level 1）缓存。这对于确保内部缓存中的数据一致性非常重要，特别是在多核处理器系统中。

MMU 内存属性寄存器 MAIR_ELx

在ARMv8架构中，MAIR_ELx寄存器（Memory Attribute Indirection Registers at Exception Level x）用于定义和配置内存属性表。这些寄存器允许软件定义多种内存属性类型，例如缓存策略和访问权限，这对于物理地址的属性定义至关重要。

MAIR_ELx寄存器支持多个异常级别，如MAIR_EL1、MAIR_EL2和MAIR_EL3，分别对应不同的异常级别使用。寄存器中的每个字段与转换表（Translation Table）中的属性字段相关联，这些属性字段用于描述如何访问对应的物理内存。

MAIR_ELx 寄存器结构

MAIR_ELx寄存器包含多个字段，每个字段8位，总共可以配置8种不同的内存属性。这意味着在转换表项（Translation Table Entry, TTE）中可以引用这8种配置中的任意一种来指定对应内存区域的访问特性。

字段格式如下：

• Attr0[7:0]
• Attr1[15:8]
• Attr2[23:16]
• Attr3[31:24]
• Attr4[39:32]
• Attr5[47:40]
• Attr6[55:48]
• Attr7[63:56]

每一对Attrn字段定义了一种内存类型，包括其缓存策略和访问权限。每个Attrn字段内部分为两个子字段，高四位和低四位，分别代表不同的属性。

内存属性字段

Armv8-A和Armv9-A中有两种内存类型：普通内存（Normal Memory）和设备内存（Device Memory）。普通内存类似于RAM，Flash或者ROM这类的内存，代码只能放在普通内存中。设备内存类型用于描述外设。外设寄存器通常称为内存映射 I/O (MMIO)。

• 当 attr 的值为 0b0000dd01 时
  这表示设备内存，具体行为取决于dd位的编码，该设备内存的XS属性被设置为 0。

  • 如果支持FEAT_XS特性，则表示带有XS属性设置为0的设备内存。
  • 根据dd的编码，类型的设备内存不同，可能是nGnRnE、nGnRE、GRE或nGRE（这些是ARM定义的设备内存类型，分别对应于不同的访问和共享属性）。
  • 如果不支持FEAT_XS特性，则结果是不可预测的。
    
    

• 当 attr 的值为 0b01000000 时

  • 如果支持FEAT_XS特性，则表示内部（inner）非缓存、外部（outer）非缓存的正常内存，且XS属性被设置为0。
  • 这种配置通常用于需要绕过缓存直接访问内存的情况，确保数据的实时性。
  • 如果不支持FEAT_XS特性，则结果是不可预测的。
    
    

• 当 attr 的值为 0b10100000 时

  • 如果支持FEAT_XS特性，则表示内部（inner）和外部（outer）都设置为写通（write-through）缓存策略的正常内存。这种配置支持读取分配（read-allocate），但不支持写入分配（no-write allocate），且被视为非瞬态内存。
  • 这种配置有助于实现一定程度的缓存，同时保持一定的数据一致性，因为所有的写操作都会即时反映到主存中。
  • 如果不支持FEAT_XS特性，则结果是不可预测的。

• 当 attr 的值为 0b11110000 时
  • 如果支持FEAT_MTE2特性，则表示带有标签的正常内存，其中内部（inner）和外部（outer）都设置为写回（write-back）缓存策略。这种配置支持读取分配和写入分配（read-allocate, write-allocate），被视为非瞬态内存。
  • 这种配置提供了最高级别的缓存性能，适用于对性能敏感的应用场景。
  • 如果不支持FEAT_MTE2特性，则结果是不可预测的。

关于 FEAT_MTE2 及 FEAT_XS 介绍见：【ARM Cache 与 MMU 系列文章 7.6.1 – ARMv8/v9 MMU FEAT_XS（XS Attribute）与 FEAT_MTE2 介绍】

Device Memory

设备有四种子类型，具有不同的限制等级。下面的子类型限制比较宽松：

• Device-GRE
• Device-nGRE
• Device-nGnRE
• Device-nGnRnE: 这个子类型限制最为严格。

4种类型的编码如下表所示：
dd 编码原则：

Device后面的字母具有不同的含义：

• 聚合（G，nG）：访问可以聚合（G）或者不聚合（nG），聚合意味着可以对同一位置的多次访问合并为一次访问，或者将多次较小的访问合并为一次较大的访问。
• 重排（R，nR）：这指定对于同一外设可进行重排（R）或者不重排（nR）访问。当允许重排访问时，限制同普通内存一样。
• 提前写应答（E，nE）：这决定了何时被认为写完成。如果允许提前写应答，一旦其他观察者可见，在到达实际目的地之前，访问可以视为写完成。例如，一旦数据写到写缓冲区，其他PE就可以看到这些数据。当不允许提前写应答时，数据必须到达最终目的地。

有两个示例：

• Device-GRE：允许聚合、重排和提前写应答访问；
• Device-nGnRnE：不允许聚合、重排和提前写应答访问。

聚合允许对相似位置的内存访问合并到单个总线事务中，从而优化访问。提前写应答意味着当数据发送到缓冲区后，总线是否可以发送写完成确认标志。这样即使外设还未收到写动作，所有PE均已能观察到此次写入。

Normal Memory

‘oooo’ 编码原则:

R = Outer Read-Allocate policy, W = Outer Write-Allocate policy.

‘iiii’ 编码原则:

R = Inner Read-Allocate policy, W = Inner Write-Allocate policy.

在’oooo’ 和 ‘iiii’ 中 R 和 W 含义如下：

• Read Allocate: 当缓存因读操作而缺失（即所需的数据不在缓存中）时，将从更低层次的存储（比如主存）加载数据到缓存中。这种策略意味着缓存会尝试在读操作时加载所需的数据块。

• Write Allocate (也称为Write-Read Allocate): 当缓存因写操作而缺失时，缓存行首先被加载到缓存中，然后再执行写操作。这种策略用于优化那些后续可能对同一地址进行读操作的情形，因为数据已经被加载到缓存中了。

• No Read Allocate: 当缓存因读操作而缺失时，数据直接从更低层次的存储读取，但不加载到缓存中。这意呼着缓存不会因为这样的读操作而更新。这种策略可能适用于那些一次性读取或不重复读取的数据，以避免缓存中有用数据的替换。

• No Write Allocate: 当缓存因写操作而缺失时，修改直接写入到更低层次的存储，而不是首先加载缓存行然后执行写操作。这种策略减少了因为写操作引起的不必要的缓存行加载，特别是对于那些不再被读取的数据。

使用实例

配置MAIR_EL1为最常见的例子，下面是一个典型的配置过程：

1. 配置非缓存访问（设备内存）:

// Attr0设为0x00：设备内存，非缓存，非缓冲 

2. 配置写回缓存（正常内存）:

// Attr1设为0xFF：正常内存，Write-Back, Read & Write Allocate 

配置完成后，转换表项可以通过指定的属性索引（Attrn）来使用这些定义。

MMU 地址翻译表基址寄存器 TTBR0/1_ELx

TTBR0_EL3寄存器负责存储阶段1（Stage 1）地址翻译表（页表）的基地址。页表用于将虚拟地址映射到物理地址。这个寄存器包含了页表基地址（BADDR）的大部分位，但是实际使用的位数和页表的对齐要求取决于多个因素。

TTBR0_ELx（Translation Table Base Register 0 at Exception Level x）用于存储页表的物理基址，其中x可以是1、2或3，表示不同的异常级别。在多级页表结构中，这个寄存器指向页表的第一级。

寄存器结构

在ARMv8架构中，TTBR0_ELx拥有以下关键组成部分：

• BADDR[47:x]: 这些位表示阶段1翻译表基地址的高位部分。x的具体值由TCR_EL3.T0SZ、翻译阶段和翻译粒度大小共同决定。这些位直接存储页表基地址的相应部分。

• BADDR[x-1:0]: 这些位用于确保页表基地址的适当对齐。对于页表基地址来说，x是最小的地址位，要求页表根据表的大小进行对齐。最小允许的x值是6，这意味着最小的页表对齐是64字节（2^6）。

  x的值基于TCR_EL3.T0SZ的设置来计算。T0SZ指定了虚拟地址空间顶部未使用的位数，决定了地址空间的大小和页表的层级。根据T0SZ的值和选定的翻译粒度（如4KB、16KB或64KB），可以计算出页表的大小和对应的对齐要求。

  • 页表必须对齐到其自身的大小。例如，如果一个页表包含256个条目（对于4KB粒度的页表来说），它必须至少对齐到1KB（256条目 * 4字节/条目）的边界。

  • 如果页表包含少于8个条目，则必须对齐到64字节的边界，即使表的计算大小小于64字节。

  • 如果TCR_EL3.PS的值不是0b110，则BADDR的[x-1:1]位被保留为0（RES0）。这有助于确保兼容不同的物理地址大小设置。

  • 如果处理器支持52位物理地址和内部物理地址（PA和IPAS），并且在启用这些扩展时，BADDR的[51:48]位应设置为0b0000，以确保地址的高位不会被错误地使用。

• CnP[0]: 用于控制页表条目的共享模式，特别是当实现了FEAT_TTCNP特性时。这个位提供了一种机制，允许处理器指示页表条目是否为内部可共享域中所有处理器元素（PE）的共同集合的一部分。具体地说，这与页表的私有性或共享性有关。

  • 0b0：当CNP位为0时，表明由TTBR0_EL3指向的转换表条目，对于当前的转换体制，可以与内部可共享域中其他PE的对应条目有所不同。也就是说，这些条目不需要在所有PE之间共享，允许存在差异。这种配置的共享性不受其他PE上TTBR0_EL3.CNP位值的影响。

  • 0b1：当CNP位为1时，表示所有设置了CnP位且在同一内部可共享域中的PE使用的，由TTBR0_EL3指向的转换表条目是相同的。这意味着，这些页表条目构成了一个公共集合，应该被域内所有配置为CnP=1的PE共用。这个设置有利于减少不同处理器之间的页表不一致性，从而提高系统的协同工作效率。

  • TLB缓存：CnP位的值被允许缓存在TLB（Translation Lookaside Buffer）中，这有助于加速地址转换过程，因为处理器可以快速地从TLB获取转换结果，而不是每次都从页表中读取。

  • 如果在同一内部可共享域中，多个PE的TTBR0_EL3.CNP位都设置为1，但它们并不指向同一组转换表条目，那么使用TTBR0_EL3进行的转换结果是受限的不可预测的。换句话说，如果配置了CNP=1但未能确保共同集合的一致性，系统的行为将会变得无法预测，可能导致问题。

ARMv8支持使用两个TTBR寄存器（TTBR0_ELx和TTBR1_ELx）来支持不同范围的地址空间，通常：

• TTBR0_ELx用于较低范围的虚拟地址。
• TTBR1_ELx用于较高范围的虚拟地址。
  这种分割允许操作系统将用户空间和内核空间的映射分开管理，提高了安全性和效率。

TTBR0_ELx 编程示例

配置TTBR0_EL1通常涉及到计算页表基址，然后将其加载到寄存器中。以下是设置TTBR0_EL1的一个示例代码片段：

    // 假设x0寄存器包含页表的物理基址
    msr TTBR0_EL1, x0  // 将x0寄存器的值写入TTBR0_EL1
    // 其中，必须确保基址符合对齐要求

MMU 使能寄存 SCTLR_EL3

SCTLR寄存器是系统顶层的寄存器，可以控制内存系统，其中包括Cache和MMU等。对于MMU 的使能是通过 系统控制寄存器 SCTLR bit[0] 来控制的，包括SCTLR_EL1、SCTLR_EL2和SCTLR_EL3，但并不是所有bit在EL1都可用。

这里简单介绍下 I，C以及M bit：

• I 位，bit[12]：I-cache的enable，这是个全局的指令缓存使能位：
  • 0 表示I-Cache被禁止
  • 1 表示I-Cache被使能
• C 位，bit[2]: 缓存使能位，针对数据缓存（data cache）和统一缓存（unified cache，L2 cache）：
  • 0 表示Data-Cache和Unified Cache（L2 Cache）被禁止
  • 1 表示I-Cache被使能
• M 位，bit[0] : MMU使能位

关于SCTLR 寄存器的其它域值含义见：【ARMv8 异常模型入门及渐进 2 – ARMv8/v9 寄存器 (SCR_ELn | ELR_ELn | ESR_ELn | CTR | HCR_ELn … 详细介绍】

判断当前 MMU是否打开：

func Arm_MmuEnabled
   EL1_OR_EL2_OR_EL3 x1
1: mrs     x0, sctlr_el1        // Get control register EL1
   b       4f
2: mrs     x0, sctlr_el2        // Get control register EL2
   b       4f
3: mrs     x0, sctlr_el3        // Get control register EL3
4: and     x0, x0, #CTRL_M_BIT
   ret
endfunc Arm_MmuEnabled

打开MMU 函数：

func Arm_EnableMmu
   EL1_OR_EL2_OR_EL3 x1
1: mrs     x0, sctlr_el1       // Read System control register EL1
   b       4f
2: mrs     x0, sctlr_el2       // Read System control register EL2
   b       4f
3: mrs     x0, sctlr_el3       // Read System control register EL3
4: orr     x0, x0, #CTRL_M_BIT // Set MMU enable bit
   bic     x0, x0, #(0x1 << 19)    // WXN bit (writeable execute never)
   EL1_OR_EL2_OR_EL3 x1
1: tlbi    vmalle1
   dsb     nsh
   isb
   msr     sctlr_el1, x0       // Write back
   b       4f
2: tlbi    alle2
   dsb     nsh
   isb
   msr     sctlr_el2, x0       // Write back
   b       4f
3: tlbi    alle3
   dsb     nsh
   isb
   msr     sctlr_el3, x0       // Write back
4: isb
   ret
endfunc Arm_EnableMmu