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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….
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)>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
本文转自 周贺贺，baron，代码改变世界ctw，Arm精选， 资深安全架构专家，11年手机安全/SOC底层安全开发经验。擅长trustzone/tee安全产品的设计和开发。
一、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
部分属性的含义****Shareable内存是共享的non-Shareable内存不共享,一般只可被单个PE访问cacheable内存会被缓存non-cacheable内存不会被缓存
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
Shareable****inner Shareable内存在inner范围内是共享的outer Shareable内存在outer范围内是共享的
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
二、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
三、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).
四、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
五、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
六、address translation system (AT)
6.1 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：
6.2 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
6.3 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
6.4 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
6.5 granule sizes
a. state 1 granule sizes
b. state 2 granule sizes
6.6 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:
6.7 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
七、Translation table
7.1 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
7.2 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
7.3 granule sizes
有三种granule sizes的页表:4kb、16kb、64kb
7.4 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
八、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
九、Translation Lookaside Buffer (TLB)
9.1 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
9.2 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。
9.3 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
9.4 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>}
十、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:
#defineATTR_DEVICE_INDEX0x0#defineATTR_IWBWA_OWBWA_NTR_INDEX0x1#defineATTR_INDEX_MASK0x7#defineATTR_DEVICE(0x4)#defineATTR_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);
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