armv8 memory translation

Posted 2020-10-24 _9_8

armv8 address translation 1

AArch32，arm的32bit架构；

AArch64，arm的64bit架构；

ARMv8.2-LPA，是armv8.2中的新feature，扩大了IPA和PA的支持范围，从48bit扩展到52bit。

 

armv8-a core内部使用virtual memory，内部通过mmu转换为physical address。

mmu的好处：

　　1)允许system同时运行多个task，各个task之间完全是地址透明的。

　　2)同一个task，code在编写的时候，也完全不需要了解processor内部的地址分配。

　　3)mmu还可以实现memory access permission的控制，memory attribute的控制，cache policy的控制。

这样app的编写，编译，链接都是在virtual memory space中进行的。

 

arm提出trustzone之后，定义了两种physical address space，在理论上，secure和non-secure的physical address

　　应该是完全分开的两个地址空间，甚至存储器，但是在实现中，多通过bus attribute来进行控制。表示的是

　　同一块地址，在进行secure和non-secure切换的时候，需要自己保存上下文。

arm规定，non-secure不能访问secure空间，但是secure是可以访问secure和non-secure的，这样的化，在应用中

　　如果一个secure的master，读了两次同一个地址，一次是secure bus读，一次是non-secure bus读，这样在cache

　　中会出错，所以一般要求，secure在读取non-secure的时候，要求使用non-secure bus attr。

 

mmu内部的translation table根据exception level分为四级：

　　1) EL0------app

　　2) EL1------kernel

　　3) EL2------hypervisor，armv7加入的一个arm core mode，主要为了virtualization。

　　4) EL3------secure monitor，在trustzone切换过程中的mode。

一般情况下EL0是执行在unprivilege mode下的，其他三种都是执行在privilege mode下的。需要配置自己的TCR寄存器

EL0和EL1都可以执行在non-secure或secure mode下，但是EL2只能执行在non-secure mode下，EL3只能执行在secure mode下。

EL0和EL1的translation table base address是指定在寄存器中，Translation Table Base Registers(TTBR0_EL1)和(TTBR1_EL1)

　　EL0和EL1的区分是通过VA的高位地址来区分的，OS的地址都在高位，高位都为1；

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　APP的地址都在低位，高位都为0；

　　一般是16bit的高位，这样和32bit级联起来，刚好48bits

EL2和EL3都只有TTBR0，寄存器分别为TTBR0_EL2和(TTBR0_EL3)

除了base address，还有一个Translation control register(TCR_EL1)，其中控制

　　1)IPA size，最终的PA的范围大小，3bits，000---32bitsPA，101---48bitsPA

　　2)TG0/TG1，translation table的size大小，2bits，00---4KB，01---16KB，11---64KB  (Translation Granule)

　　3)T0SZ/T1SZ，高bits的位数，来区分EL0/EL1的高位，5bits

 

VA到PA的translation：

　　对于一个nbits的VA空间的应用，高位64-n必须是全零或者全1，否则mmu会报event error。

　　VA的低位地址，或直接作为PA中的offset，具体bit是按design而定的。

一个转换的流程图，多级转换：

　　

 

TTBR0_EL1，TTBR1_EL1以及TCR_EL1都是不区分secure和non-secure的寄存器，所以在secure切换的时候，

　　必须自己做context的保存。

 

VMSAv8-64的translation table format descripter：

　　主要有以下几个方面，

　　1) invalid或者valid； bit[0]

　　2) table entry或者block entry；  bit[1]

descripter与granule的颗粒有关系，

　　　　　　4k granule　　　　　　16granule　　　　　　　　64granule

　　level0　　block entry不支持　　block entry不支持　　　　block entry不支持

　　level1　　　　　　　　　　　　block entry不支持　　　　block entry不支持(主要看ARMv8.2-LPA是否支持)

　　level2　　　　　　　　　　　　　

对于level3的table，都是支持block entry的，不支持table entry　　　　　　　　　

对于不支持ARMv8.2-LPA的level0-level3的descripter的各种格式，

　　　　

level3的descripter格式：

　　　　

 

amrv8.2中的多级地址映射：

　　两级的translations，主要引入了hypervisor的控制，stage1由guest os控制，stage2由hypervisor控制。

　　　　

　　1) 主要在level0和level1进行了扩展，可能会有stage2。对于secure的操作，系统中是不允许在做stage2的。

　　　　对于non-secure操作，需要配置Hypervisor Configuration Register(HCR_EL2)来进行stage2。

　　2) EL2和EL3都是只有stage1的，Translation base table，分别有自己的TTBR0_EL2/EL3，secure world是不允许有virtualization的。

　　3) stage2的 Translation base table寄存器是单独的VTTBR0_EL2，并且有自己单独的control寄存器VTCR_EL2

 

另一类的access的控制，是对执行attr的控制，反应到bus上就是某些instruction的prefetch不能再一些地址上进行。

　　block/page可以被标识为Execute Never(XN)，Unprivilege Execute Never(UXN)，Privilege Execute Never(PXN)，

　　通过配置每个level的SCTLR_ELn寄存器来实现。

 

AF(access flag)，是软件的应用，表明目前该page是否被访问过，优化在OS memory control中的实现。

Bit[58:55]，不论是block descripter还是table descripter，中都会预留，为OS使用。可以存放page是否dirty等信息。

 

mmu中还包括secure ctrl register(SCR)寄存器，可以定义secure是否可以访问non-secure的空间，

arm中还定义了指令LDTR和STTR，可以允许在EL1中执行数据的加载和写入，权限等是按照EL0的配置来执行。

　　在其他的except level中，LDTR和STTR指令与普通的LDR和STR相同。

 

TLB(Translation Lookaside Buffer)，MMU中访问page translation的cache，每个TLB的entry，都包括memory type，

　　cache policy，access permission，ASID，VMID等信息。

如果memory中的translation entry已经更新，但是TLB中的未更新，这时需要OS进行invalidation stale TLB entry。

　　指令TLBI <type> <level>，可以指定stage-level，specify-attr等。

　　　　　　ALL，VMALL，VMALLSI2，ASID，VA，VAA

　　TLB中的entry是区分secure和non-secure的，所以在secure切换的时候，是不需要context-switch的。