ARM v7-A 系列CPU的MMU隐射分析
摘要：ARM v7-A系列的CPU加入了很多扩展，如多核处理器扩展、大物理地址扩展、TrustZone扩展、虚拟化扩展。若支持大的物理地址，则必须支持多核处理器；若支持虚拟化，则必须支持大的物理地址、多核处理器、TrustZone。加入这些扩展后，相应的MMU（虚拟地址到物理地址的隐射功能）结构也改变了许多。本文首先分析加入扩展后MMU的整体结构，然后详细介绍地址转换中用到短描述符格式（32位）和长描述符格式（64位），以及如何实现虚拟地址到物理地址的查询，最后就二级隐射问题，给出一个例子用以验证。
关键字：Cortex-A MMU；大物理地址扩展；TrustZone；虚拟化；二级隐射
1 ARM v7-A MMU 整体结构介绍
1.1 整体结构
整体结构由四部分组成，如下图所示。
PL2：NS（非安全模式）下的HYP（超级管理）模式
PL1：S（安全模模式）或者NS（非安全模式）下的其它模式（用户模式除外）
PL0：S或者NS下的用户模式
注：每个CPU（支持TrustZone扩展）可以处于安全模式或者非安全模式，处于任意模式（安全或者非安全）的CPU又有8个模式（支持TrustZone、虚拟化）。
这四部分为：
安全模式的PL1&0隐射，页表控制寄存器TTBCR，页表基址寄存器TTBR0/TTBR1，这些寄存器需要在S模式的PL1设置；
非安全模式的PL2隐射，页表控制寄存器HTCR，页表基址寄存器HTTBR，需要在NS的PL2设置；
非安全模式的PL1&0的一级映射，页表控制寄存器TTBCR，页表基址寄存器TTBR0/TTBR1，需要在NS模式的PL1设置；
非安全模式的PL1&0的二级映射，页表控制寄存器VTCR，页表基址寄存器VTTBR，需要在NS的PL2设置；
1.2 带来的问题
由于扩展了很多，带来了下面几个问题：
1、处于安全模式的CPU，用MMU访问相应的物理单元时，同样的虚拟地址，可以访问到安全的物理地址，也可能访问到非安全的物理地址，怎么决定访问的物理地址是安全的、非安全的？
处于非安全模式的CPU是没有这个功能的，只能访问到非安全的物理地址。
答：对于采用短描述符，若一级描述符是段或者超级段，则第19位NS表示访问的是S/NS；
若一级描述符是页表，则第3位NS表示访问的是S/NS，
就是二级描述符不再区分了，即S/NS的区分是以1MB为单位的。
对于采用长描述符格式，二级映射只在NS模式下才使用，而S/NS之分只在S模式下使用，故只有一级映射才有该功能。
若一级描述符是block，则第5位NS表示访问的是S/NS，只是在查询出最终的物理地址时才有用。
若一级描述符是table，则第63位NS Table表示是S/NS，
若为1，则后续的二级、三级都是非安全的；
若为0，若二级是block，则NS决定；
若二级也是table，继续判断 NS TABLE
若为1，则后面的是非安全的。
若为0，则三级的第5位NS决定。
2、NS PL1&0 是否启用二级映射，能否不采用？
答：HCR寄存器的VM位，决定NS PL1&0的二级映射是否使能
3、短/长描述符格式怎么选取，S PL1&0，NS PL1&0的一级映射怎么决定采用短描述符格式、长描述符格式？
答： 参考上面的描述，TTBCR的EAE位决定采用短或者长；而NS的PL2，NS的PL1&0的二级映射必须采用长描述符格式。
2 短描述符的地址转换表格式
2.1 相关寄存器和概念描述
输入的虚拟地址是32位，输出的物理地址是32位/40位。
32位的TTBCR的格式：
32位的TTBR0格式：
32位的TTBR1格式：
隐射分类：
超级段：24位，16MB，是否支持，由实现决定（Cortex-A7，A9都是不同的实现）。物理地址最大可以到40位
段： 20位，1MB
大页： 16位，64KB
小页： 12位，4KB
短描述符总共可能有二级，分别描述如下。
一级描述符内容：
00：无效
01：页表，[31:10] 位是二级页表的基地址
1X：段隐射，X是PXN（Privileged execute never）位。
18位是0则是段，是1则为超级段。
段，则用[31:20]表示物理地址的高12位，虚拟地址的低20位也是物理地址的；
超级段，[39:36（8:5） 35:32（23:20）31:24] 共16位，组成物理地址的高16位，虚拟地址的低24位也是物理地址的
PXN：没有实现大的物理地址扩展时，这个位是可选的（定义或不定义）；
若实现了，则这个位必须定义。
二级描述符内容：
00：无效
01：大页，31:16表示物理地址的高位，虚拟地址的低16位也是物理地址的，
1X：小页，31:12表示物理地址的高位，虚拟地址的低12位也是物理地址的。
X是XN（execute never）位，能否执行位
TTBR0或者TTBR1的选取：
TTBCR的2:0这3位的内容，就是N。
若N是0，则一直用TTBR0；
若N>0，则按照下面表格内容推断。
N最大是7，若N是7，则0x0200 0000 ~ 0x03FF FFFF开头的虚拟地址采用TTBR0，这个总共0x20个，每个4字节，故TTBR0只需128字节就可；
而对于TTBR1，因为地址不连续，则需要16KB的大小，16KB/4=4KB，4*1024*1MB=4GB，就覆盖了整个范围。
2.2 虚拟地址到物理地址的转换
2.2.1 超级段的查找
2.2.2 段的查找
2.2.3 大页的查找
2.2.4 小页的查找
3 长描述符的地址转换格式
总共可能有三级，分别描述如下。
3.1 一级查询
一级查询示意如下图所示。
3.1.1 Stage 1隐射
对于stage 1隐射：输入32位，输出40位
HYP模式下，64位的HTTBR定义如下。
根据HTCR.T0SZ（就是HTCR低3位的值），确定X的值。
若HTCR.T0SZ > 1，则是14 - HTCR.T0SZ；否则是5 - HTCR.T0SZ。
32位的HTCR定义如下。
其它模式下，64位的TTBR0/TTBR1定义如下。
其中X的值，由TTBCR.T0SZ/T1SZ决定，公式同上。
TTBCR的第22位A1，决定采用TTBR0或者是TTBR1的ASID（地址空间ID）
32位的TTBCR定义如下。
TTBR0或者TTBR1的选取：
参考下面的表格公式，可能出现某段虚拟地址空间，找不到页表基地址，无法被访问。
3.1.2 Stage 2隐射
对于Stage 2隐射：输入40位，输出40位。
64位的VTTBR定义如下所示。
其中X的值，由VTCR.T0SZ决定，计算方法同上。
32位的VTCR定义如下。
一级查询和二级查询的描述符格式如下图所示。
根据上图，若一级查询出来是block，则取出39:30作为地址的高位，虚拟地址的30:0作为低位，大小是以1GB为单元。
若一级查询出来的是页表，则根据取出的39:12作为高地址，虚拟地址的29:21充当11:3低位，继续查询。
3.2 二级查询
根据上图，若查询出来的是block，则取出39:21作为物理地址的高位，虚拟的20:0作为低位，大小是以2MB为单元。
若查询出来的仍然是页表，则取出39:12作为高地址，再次将虚拟地址的20:12充当11:3位，继续查询。
3.3 三级查询
一级映射下，一次完整的三级查询如下图所示。
根据上图，三级查询结果一定是页表，将取出来的39:12作为物理的高地址，虚拟地址的11:0作为低地址，这就是最终的物理地址。
4 NS模式的二级隐射功能验证
验证平台：
内存大小2GB：0x0000 0000 ~ 0x8000 0000
CPU：Cortex-A7
UBOOT中设置传递给内核的内存地址大小为1024-16M，地址范围为 0x0000 0000 ~ 0x4000 0000 -16MB。
开启NS下的二级隐射功能。设置VTTBR的地址为table_base_stage_2，二级隐射的页表内容如下。
.globl table_base_stage_2
table_base_stage_2:
.quad 0x00000000000007FD // Mapping guest's IPA 0x0000,0000-0x3FFF,FFFF to PA 0x0000,0000-0x3FFF,FFFF (RAM space)
.quad 0x0000000000000000
.quad 0x00400000800004C9 // Mapping guest's IPA 0x8000,0000-0xBFFF,FFFF to PA 0x8000,0000-0xBFFF,FFFF (Device space)
.quad 0x00400000800004C9 // Mapping guest's IPA 0xC000,0000-0xFFFF,FFFF to PA 0xC000,0000-0xFFFF,FFFF (Device space)
.quad 0x0000000000000000 // Mark everything else as aborting
.quad 0x0000000000000000
每个描述符内容64位，8个字节。
第一个 0x0000 0000 0000 07FD，[39:30]是[0000 0000 00]， 最低位是1 1 0 1，表明是个块映射。即IPA 0xXX 0000 0000 ~ 0xXX 3FFF FFFF这段地址空间对应的
物理地址是个块，对应的物理地址范围是0x00 0000 0000 ~ 0x00 3FFF FFFF。
对于第二个，0x0000000000000000，最低位是0 0 0 0，则根据下面的描述，
即IPA 0x4000 0000 ~ 0x7FFF FFFF对应的PA是不确定的，会产生转换失效。
内核中，建立一个16M的短描述符的段隐射，隐射描述为：
虚拟地址0xFD00 0000 ~ FE00 0000 对应的IPA中间地址是0x 4000 0000 ~ 0x4100 0000。
然后内核访问0xfd00 0004这个虚拟地址空间，根据一级隐射，对应的IPA是0x4000 0004;
而在二级隐射中，这个IPA地址找不到对应的物理地址，就会出错，但是不会panic，观察显示这个线程占用了90%多的CPU。
参考文献：DDI0406C_arm_architecture_reference_manual.pdf