Linux内核ARM转换表基础（TTB0和TTB1）

Posted 2021-04-25

针对ARMv7编译的Linux内核2.6.34.3（Cortex-a8）

我查看了内核代码，看起来Linux内核为TTB1（转换表基础）上的内核地址空间（一切都超过0xC0000000）和ttb0上的用户进程（0xC0000000下的所有内容）设置了硬件页表，进程上下文切换。它是否正确？我仍然很困惑MMU如何知道翻译的哪个ttb？

我读到TTBCR（转换表基本控制寄存器）确定在找不到MVA时要走哪个ttb寄存器，但是寄存器总是读为0，这意味着始终在ARM体系结构参考手册中使用TTBR0。怎么可能？任何人都可以向我解释Linux内核如何使用这两个ttbs？

我读了ttb如何从这个站点https://www.cs.rutgers.edu/~pxk/416/notes/10-paging.html工作，但我仍然不明白内核如何使用这两个ttbs

（仔细检查了内核代码，由于某种原因ttb0和ttb1都已设置，但似乎从未使用过ttb1，我将TTB1寄存器设置为0并且Linux内核继续照常运行）

答案

TTBR寄存器一起用于确定完整32位或40位地址空间的寻址。哪个寄存器用于通过TTBCR中的tXsz位控制的地址范围。对应于TTBR0的t0sz和TTBR1的t1sz有一个条目。

每个TTBRx寄存器寻址的页表是独立的，但您通常会发现大多数Linux实现只使用TTBR0。 Linux希望能够使用3G / 1G地址空间分区方案，ARM不支持该方案。如果查看“ARMv7体系结构参考手册”的B3-1345页，您会看到t0sz和t1sz的值分别决定了TTBR0和TTBR1支持的地址范围。为了增加对迷失方向的困惑，甚至可能有脱离的地址空间，其中TTBR0和TTBR1支持不连续的范围，从而导致系统地址空间中的漏洞。美好时光！

但是，为了回答您的主要问题，ARM建议使用TTBR0将偏移量存储到USER进程使用的页表中，并使用TTBR1将偏移量存储到KERNEL使用的页表中。我还没有看到实际执行此操作的单个实现。在所有情况下都使用TTBR0，TTBR1包含L1表的副本。

那么这是如何工作的呢？ TTBR的值存储为过程状态的一部分，并且每次切换过程时都会简单地恢复。这就是它的工作方式。最初，TTBR1将为内核表保持一个常量值，永远不会被替换或换出，而每次在进程之间进行上下文切换时，TTBR0都会被更改。显然，ARM的大多数Linux实现都决定基本上消除TTBR1的使用并坚持使用TTBR0来实现一切。

如果你想在你的设备上测试这个理论，试试whacking TTBR1并注意什么都没发生。然后尝试敲击TTBR0并观察系统崩溃。我还没有遇到一个没有产生完全相同结果的实例。简而言之，TTBR1对于Linux来说是无用的，而且TTBR0几乎只用于交换。

现在，一旦你获得LPAE支持，抛弃所有这些并重新开始。这是一个实现，你将开始看到t0sz和t1sz的值不是零，因此也是N.

另一答案

我对ARM体系结构知之甚少，但是从我在附带的链接中读到的内容，我想Linux实现了它的虚拟内存管理：

虚拟地址的高位确定使用哪一个。表的基数存储在两个基址寄存器（TTBR0或TTBR1）中的一个中，具体取决于虚拟地址的最高n位是否为0（使用TTBR0）（使用TTBR1）。 n的值由转换表基本控制寄存器（TTBCR）定义。

寄存器TTBCR告诉我们将从TTBR0或TTBR1指向的页表中翻译哪些地址。如果TTBCR包含0xc000000，那么从0到0xbfffffff的任何地址都由TTBR0指向的页面表翻译，而0xc0000000到0xffffffff的任何地址都由TTBR1指向的页面表翻译。这与用户进程的3GB内存分配相匹配，内核为1GB。

这样就可以实现一种设计，其中操作系统和内存映射I / O位于地址空间的上部，并由TTBR1中的页表管理，用户进程位于内存的下半部分，由TTB0中的页表。在上下文切换时，操作系统必须将TTBR0更改为指向新进程的第一级表。 TTBR1仍将包含操作系统和内存映射I / O的内存映射。

因此，TTBR1的值永远不会改变，因为你希望内核被永久映射（想想当引发中断时会发生什么）。另一方面，TTBR0在每个进程切换时都被修改，它包含当前进程的页表。

另一答案

见http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.ddi0211k/Bihgfcgf.html

对于ARM5及更低版本，TTB表的大小和对齐方式是固定的（至16k）。每个1级条目代表1MB。表项是32位（16k * 1M /（32位/ 8）= 4GB）。 TTBCR控制TTBR0表格大小。从上面的URL，

选择使用哪个转换表基址寄存器 翻译表基址寄存器选择如下： 如果N = 0，则始终使用转换表基址寄存器0。 - 这是重置时的默认情况。它向后兼容ARMv5或更早的处理器。 如果N大于0，则： - 如果虚拟地址的位[31：32-N]都为0，则使用转换表基址寄存器0，否则使用转换表基址寄存器1。

因此TTBR0的大小也设置了内存分割。为一个 传统 Linux的 3G / 1G 1G / 3G，应选择值2。 4kB表== 1G内存==位31..30为零。对于值6，表是256byte == 64MB ==位31..26是零。

在Linux用语中，这些是页面全局条目（这将拆分此页面全局目录）。条目可以指向另一个表或只是一个1MB的段。下一个表条目是页面中间Linux目录，然后是最终页表条目。我认为ARM中没有使用页面中间条目。

MMU硬件每次都不会走路。有一个TLB（翻译旁观缓冲区）。它就像MMU表的缓存。当操作系统更新这些表时，必须刷新TLB或处理器将使用陈旧的条目。类似地，ARM缓存是虚拟标记的，因此更改映射也可能意味着必须刷新缓存。出于这些原因，您永远不想在上下文切换上更改内容。共享库文本（比如libc.so）在上下文切换中应该是相同的。希望每个进程都有libc.so映射到同一个虚拟地址。这样做有很大的好处;较低的内存使用率和良好的I-cache使用率。

域和PID寄存器以及管理员/用户模式也可以控制存储器访问。这些是可以在上下文切换上切换的单个寄存器。

有关ARMV5上PID和域使用的信息，请参阅http://lwn.net/images/conf/rtlws11/papers/proc/p01.pdf。当前的Linux源代码与本文描述的完全不同。完全有可能Linux不需要使用此机制并将TTBCR设置为零，以便ARM子架构的VM代码类似。

编辑：我不相信TTBCR功能可用于实现3G / 1G分割。我认为Rutger的页面一般是在讨论TTBCR，而不是在Linux环境中。此外，至少2.6.38 Linux使用域或DACR，但不使用pid或fcse，因为它支持有限数量的进程。

http://lwn.net/Articles/106177/ - 也在Rutgers页面上引用。

另一答案

TTBR0保存转换表0的基址，以及它占用的内存信息。

这是从Hyp模式以外的模式进行存储器访问的第1阶段转换的转换表之一