ARMV8-aarch64的虚拟内存(mmu/tlb/cache)介绍-概念扫盲

思考:
1、cache的entry里都是有什么？
2、TLB的entry里都是有什么?
3、MMU操作的页表中的entry中都是有什么？L1和L3表中的entry中分别都是有什么？
本文已有答案，学完之后，你能否知道，看造化了，哈哈…
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说明:
MMU/TLB/Cache等知识太过于零碎，各个模块直接又紧密相关，所以在介绍时会串着介绍，本文旨在介绍MMU的工作原理，学习cache请参考<ARM cache的学习笔记-一篇就够了>
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以下来自笨叔叔公众号中的提问:
1、cache的内部组织架构是怎么样的？能否画出一个cache的layout图？什么是set，way？
2、直接映射，全关联和组相联之间有什么区别？优缺点是啥?
3、重名问题是怎么发生的?
4、同名问题是怎么发生的？
5、VIPT会不会发生重名问题？
6、什么是inner shareability 和outer shareability？怎么区分？
7、什么是PoU？什么是PoC？
8、什么是cache一致性？业界解决cache一致性都有哪些方法？
9、MESI状态转换图，我看不懂。
10、什么cache伪共享？怎么发生的，如何避免?
11、DMA和cache为啥会有cache一致性问题？
12、网卡通过DMA收数据和发数据，应该怎么操作cache？
13、对于self-modifying code，怎么保证data cache和指令cache的一致性问题？

文章目录

• 1、Memory attribute

• 2、cache的一些基本概念

• 3、Cache内存访问的模型：

• 4、MMU的介绍

• 5、VMSA 相关术语:

• 6、address translation system (AT)

• (1)、地址翻译的过程

• (2)、和mmu相关的System registers

• (3)、Enable mmu and endianness的相关寄存器

• (4)、Address size configuration

• (5)、granule sizes

• (6)、granule size对地址翻译的影响

• (7)、disable mmu

• 7、Translation table

• (1)、TTBR0/TTBR1

• (2)、页表的entry中包含哪些信息

• (3)、granule sizes

• (4)、Cache configuration

• 8、 ARM mmu三级页表查询的过程

• 9、Translation Lookaside Buffer (TLB)

• (1)、TLB entry里有什么？

• (2)、contiguous block entries

• (3)、TLB abort

• (4)、TLB一致性

• 10、VMSAv8-64 translation table format descriptors

1、Memory attribute

armv8定义了device memory和normal memory两种内存，其中device memory固定的就是Outer-Shareable和Non-cacheable，而normal memory有多种属性可选。
说明一下：在B2.7.2章节中有这么一句话“Data accesses to memory locations are coherent for all observers in the system, and correspondingly are treated as being Outer Shareable”， treated as被看作是（但不是），所以在一些的文章中就认为device memory是没有shareable属性的。其实也能够理解，一段memory设置成了non-cacheable，然后再去讨论该memory的shareable属性，好像也没有意义。不管怎么样，我们还是按照下方表格的来理解吧，device memory固定为Outer-Shareable和Non-cacheable

对于device memory，又分下面三种特性：
➨Gathering和non Gathering(G or nG)：表示对多个memory的访问是否可以合并，如果是nG，表示处理器必须严格按照代码中内存访问来进行，不能把两次访问合并成一次。例如：代码中有2次对同样的一个地址的读访问，那么处理器必须严格进行两次read transaction
➨Reordering(R or nR)：表示是否允许处理器对内存访问指令进行重排。nR表示必须严格执行program order
➨Early Write Acknowledgement(E or nE)：PE访问memory是有问有答的（更专业的术语叫做transaction），对于write而言，PE需要write ack操作以便确定完成一个write transaction。为了加快写的速度，系统的中间环节可能会设定一些write buffer。nE表示写操作的ack必须来自最终的目的地而不是中间的write buffer

针对上面的三种特性，给出下面四种配置

• Device-nGnRnE : 处理器必须严格按照代码中内存访问来进行、必须严格执行program order(无需重排序)、写操作的ack必须来自最终的目的地

• Device-nGnRE : 处理器必须严格按照代码中内存访问来进行、必须严格执行program order(无需重排序)、写操作的ack可以来自中间的write buffer

• Device-nGRE : 处理器必须严格按照代码中内存访问来进行、内存访问指令可以进行重排、写操作的ack可以来自中间的write buffer

• Device-GRE : 处理器对多个memory的访问是否可以合并、内存访问指令可以进行重排、写操作的ack可以来自中间的write buffer

PoU/PoC/Inner/Outer的定义
简而言之，PoU/PoC定义了指令和命令的所能抵达的缓存或内存，在到达了指定地点后，Inner/Outer Shareable定义了它们被广播的范围。
例如：在某个A15上执行Clean清指令缓存，范围指定PoU。显然，所有四个A15的一级指令缓存都会被清掉。那么其他的各个Master是不是受影响？那就要用到Inner/Outer/Non Shareable

有了上面的这些定义，那么我们再来看inner Shareable和outer Shareable

读分配(read allocation)
当CPU读数据时，发生cache缺失，这种情况下都会分配一个cache line缓存从主存读取的数据。默认情况下，cache都支持读分配。

写分配(write allocation)
当CPU写数据发生cache缺失时，才会考虑写分配策略。当我们不支持写分配的情况下，写指令只会更新主存数据，然后就结束了。当支持写分配的时候，我们首先从主存中加载数据到cache line中（相当于先做个读分配动作），然后会更新cache line中的数据。

写直通(write through)
当CPU执行store指令并在cache命中时，我们更新cache中的数据并且更新主存中的数据。cache和主存的数据始终保持一致。

写回(write back)
当CPU执行store指令并在cache命中时，我们只更新cache中的数据。并且每个cache line中会有一个bit位记录数据是否被修改过，称之为dirty bit（翻翻前面的图片，cache line旁边有一个D就是dirty bit）。我们会将dirty bit置位。主存中的数据只会在cache line被替换或者显示的clean操作时更新。因此，主存中的数据可能是未修改的数据，而修改的数据躺在cache中。cache和主存的数据可能不一致。

➨ 在ARMV8定义这些属性的寄存器和linux kernel或optee软件代码中使用的示例，请点击此处
<ARMV8 MMU内存管理中的Memory attributes和Cache policies>

2、cache的一些基本概念

cache是一个高速的内存块，它包含了很多entries，每一个entrie中都包含: memory地址信息(如tag)、associated data

cache的设计考虑了两大原则：
空间域(spatial locality): 访问了一个位置后，可能还会访问相邻区域, 如顺序执行的指令、访问一个结构体数据
时间域(Temporal locality)：内存区域的访问很可能在短时间内重复，如软件中执行了一个循环操作.

为了减少cache读写的次数，将多个数据放到了同一个tag下，这就是我们所说的cache line
访问缓存中已经存在的信息叫做cache hit，访问缓存中不存在的数据叫做cache miss

cache引入的潜在问题：
内存的访问不一定同编程者预期的一样;
一个数据可以存在多个物理位置处

3、Cache内存访问的模型：

Memory coherency的术语定义：
Point of Unification (PoU), Point of Coherency (PoC), Point of Persistence (PoP), and Point of Deep Persistence (PoDP).

4、MMU的介绍

在ARMV8-aarch64体系下，ARM Core访问内存的硬件结构图如下所示：

其中，MMU由TLB和Table Walk Unit组成的.

TLB:Translation Lookaside Buffer (TLB)，对应着TLB指令
Table Walk Unit,也叫地址翻译，address translation system，对应着AT指令

5、VMSA 相关术语:

➨ VMSA - Virtual Memory System Architecture
➨VMSAv8
➨VMSAv8-32
➨VMSAv8-64

➨Virtual address (VA)
➨Intermediate physical address (IPA)
➨Physical address (PA)

Translation stage can support only a single VA range
➨48-bit VA, 0x0000000000000000 to 0x0000FFFFFFFFFFFF
➨ARMv8.2-LVA : 64KB granule ：52-bit VA,0x0000000000000000 to 0x000FFFFFFFFFFFFF

Translation stage can support two VA ranges
➨48-bit VA: 0x0000000000000000 - 0x0000FFFFFFFFFFFF , 0xFFFF000000000000 to 0xFFFFFFFFFFFFFFFF
➨52-bit VA: 0x0000000000000000 - 0x000FFFFFFFFFFFFF , 0xFFF0000000000000 to 0xFFFFFFFFFFFFFFFF

Address tagging / Memory Tagging Extension / Pointer authentication

6、address translation system (AT)

(1)、地址翻译的过程

MMU的地址翻译工作是一种自动行为，当填好页表、配置好系统寄存器之后，cpu发起的虚拟地址读写操作，将会经过MMU自动转换成物理地址，然后发送到AXI总线上完成真正的内存或device的读写操作. 如下列举了ARM在不同exception level中的地址翻译的模型.

在一般的情况下，我们是不会启用stage2的，除非enable了EL2、实现了hypervisor，那么这时候才会开启stage2，如下图所示：

(2)、和mmu相关的System registers

在armv8-aarch64体系下，TCR(Translation Control Register)寄存器有

• TCR_EL1

• TCR_EL2

• TCR_EL3

• VTCR_EL2

它们的含义：地址翻译的控制寄存器

• TCR_EL1, Translation Control Register (EL1)
  The control register for stage 1 of the EL1&0 translation regime.

• TCR_EL3, Translation Control Register (EL3)
  The control register for stage 1 of the EL3 translation regime

• TCR_EL2, Translation Control Register (EL2)
  The control register for stage 1 of the EL2, or EL2&0, translation regime

• VTCR_EL2, Virtualization Translation Control Register
  The control register for stage 2 of the EL1&0 translation regime

对应的bit map为

(3)、Enable mmu and endianness的相关寄存器

在ARMV8-aarch64架构下有三个sctlr寄存器

• SCTLR_EL1

• SCTLR_EL2

• SCTLR_EL3
  以SCTLR_EL3，该系统寄存器的SCTLR_EL3.EE(BIT[25])定义了MMU访问页表的方式：小端方式读、还是大端方式读
  

(4)、Address size configuration

• Physical address size – 告诉cpu，当前系统的物理地址是多少位

• Output address size – 告诉mmu，你需要给我输出多少位的物理地址

• Input address size – 告诉mmu，我输入的是多数为的虚拟地址

• Supported IPA size – stage2页表转换的部分size，暂不介绍

. Physical address size

b. output address size

c . Input address size

• TCR_ELx.T0SZ定义使用TTBR0_ELx时，VA地址的size

• TCR_ELx.T1SZ定义使用TTBR1_ELx时，VA地址的size
  
  注意最大的size为：2^(64-x)，x为TCR_ELx.T0SZ或TCR_ELx.T1SZ
  d. Supported IPA size
  由VTCR_EL2.SL0 and VSTCR_EL2.SL0寄存器决定

(5)、granule sizes

a. state 1 granule sizes

b. state 2 granule sizes

(6)、granule size对地址翻译的影响

granule size的配置不同，将会影响到页表的建立，不同的granule size的页面有着不同的页表结构，例如下表所示的:

(7)、disable mmu

disable mmu之后，the stage 1 translation，For the EL1&0：
For Normal memory, Non-shareable, Inner Write-Back Read-Allocate Write-Allocate, Outer Write-Back Read-Allocate Write-Allocate memory attributes

7、Translation table

(1)、TTBR0/TTBR1

ARM文档说：因为应用程序切换时要切换页表，页表经常改变，而kernel切换时不需要切换页表，页表几乎不改。所以ARM就提供了 a number of features，也就是TTBR0和TTBR1两个页表基地址. TTBR0用于0x00000000_00000000 - 0x0000FFFF_FFFFFFFF虚拟地址空间的翻译，TTBR1用于0xFFFF0000_00000000 - 0xFFFFFFFF_FFFFFFFF虚拟地址空间的翻译

EL2/EL3只有TTBR0，没有TTBR1，所以EL2/EL3的虚拟地址空间是:0x0000FFFF_FFFFFFFF

(2)、页表的entry中包含哪些信息

MMU除了完成地址的翻译，还控制的访问权限、memory ordering、cache policies.

如图所示，列出了三种类型的entry信息:

bits[1:0]表示该输出是block address，还是next level table address，还是invalid entry

(3)、granule sizes

有三种granule sizes的页表:4kb、16kb、64kb

(4)、Cache configuration

MMU使用translation tables 和 translation registers控制着cache policy、memory attributes、access permissions、va到pa的转换

8、 ARM mmu三级页表查询的过程

• (1)、在开启MMU后，cpu发起的读写地址是一个64bit的虚拟地址，

• (2)、该虚拟地址的高16bit要么是全0，要么是全1. 如果是全0，则选择TTBR0_ELx做为L1页表的基地址; 如果是全1，则选择TTBR1_ELx做为L1页表的基地址;

• (3)、TTBRx_ELn做为L1页表，它指向L2页表，在根据bit[41:29]的index，查询到L3页表的基地址

• (4)(5)、有了L3页表的基地址之后，在根据bit[28:16]的index，查询到页面的地址

• (6)、最后再根据bit[15:0]查找到最终的物理地址

9、Translation Lookaside Buffer (TLB)

(1)、TLB entry里有什么？

TLB中不仅仅包含物理地址和虚拟地址，它还包含一些属性，例如：memory type、cache policies、access permissions、ASID、VMID
注:ASID - Address Space ID, VMID - Virtual Machine ID

(2)、contiguous block entries

TLB拥有固定数目的entries，所以你可以通过减少外部内存地址转换的次数来提升TLB hit率.
在ARMV8 architecture中有一个TLB中的feature叫contiguous block entries，它表示一个entry可以对应多个blocks. 一个entry找到多个blocks，再通过index来查找具体是哪个block。页表的block entries中，也有一个contiguous bit。这个bit为1,则表示开启了TLB的contiguous block entries feature。
contiguous block entries feature要求alignment，例如：
• 16 × 4KB adjacent blocks giving a 64KB entry with 4KB granule. 缓存64kb blocks,只需16 enties
• 32 × 32MB adjacent blocks giving a 1GB entry for L2 descriptors, 128 × 16KB giving a 2MB entry for L3 descriptors when using a 16KB granule.
• 32 × 64Kb adjacent blocks giving a 2MB entry with a 64KB granule.

如果支持了contiguous bit，那么:
TLB查询后的PA = TLB entry中的PA + index。

(3)、TLB abort

如果开启了contiguous bit，而要转换的table entries确不是连续的，或者entries的output在地址范围之外或没有对齐，那么将会产生TLB abort

(4)、TLB一致性

如果os修改了页表(entries)，那么os需要告诉TLB，invalid这些TLB entries，这是需要软件来做的. 指令如下:

TLBI <type><level>{IS} {, <Xt>}

10、VMSAv8-64 translation table format descriptors

这里的table format descriptors，其实就是本文开头“思考”中提到的entry，在页表中的entry， 要么是invalid，要么是table entry，要么是block entry

• An invalid or fault entry.

• A table entry, that points to the next-level translation table.

• A block entry, that defines the memory properties for the access.

• A reserved format

• 
  

如果是table entry，其attribute描述如下：

如果是block entry，其attribute描述如下：

如果是stage2的entry，无论是table entry还是block entry，其attribute描述如下：

其实用如下的一张图来描述更清晰：

这里的bit[1:0]用于定义entry的类型（invalid? block ? table? reserved）
bit[4:2]指向 MAIR_ELn寄存器中的其中的一个字节，用于定义内存(main memory和device memory)的类型

MAIR_ELn寄存器拆分成8个bytes，每个byte定义一种内存类型
(MAIR_ELn, Memory Attribute Indirection Register (ELn))

每一个byte（attrn）的含义如下：

各个bit位的具体含义

例如optee中的内存属性配置如下:

#define ATTR_DEVICE_INDEX		0x0
#define ATTR_IWBWA_OWBWA_NTR_INDEX	0x1
#define ATTR_INDEX_MASK			0x7

#define ATTR_DEVICE			(0x4)
#define ATTR_IWBWA_OWBWA_NTR		(0xff)

mair  = MAIR_ATTR_SET(ATTR_DEVICE, ATTR_DEVICE_INDEX);
mair |= MAIR_ATTR_SET(ATTR_IWBWA_OWBWA_NTR, ATTR_IWBWA_OWBWA_NTR_INDEX);
write_mair_el1(mair);