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• 01-Introducing the Arm architecture
• 02-Armv8-A Instruction Set Architecture
• 03_Introduction_to_AMBA_AXI
• 04-TrustZone for Armv8-A
• 05-Exception model
• 06-GICv3_v4_overview
• 07-Armv8-A virtualization
• 08-Isolation using virtualization in the Secure World_Whitepaper
• 09-LearnTheArchitecture-MemoryManagement
• 10-Armv8-A memory model guide–ongoing
• 11-Memory Management Examples
• 12-Generic Timer
• 13-Introduction to security
• 14-Providing protection for complex software
• 15-Arm-Confidential-Compute-Software-Stack
• 16-Understanding the Armv8.x extensions

目錄

• • • • 1、簡介
      • • 術語介紹
        • Translation regimes
      • 2、構建頁表示例 -- 一個簡單場景Single-level table at EL3
      • • (1)、設置頁表基地址VBAR_EL3
        • (2)、初始化MAIR_EL3
        • (3)、配置TCR_EL3 （Translation Control Register）
        • (4)、創(chuàng)建頁表
        • (5)、Enable the MMU
      • 3、構建頁表示例 -- 稍微復雜一點場景Multiple levels of table at EL3
      • 4、構建頁表示例 -- 繼續(xù)復雜一點場景Single-level table at EL1
      • • (1)、Configure SCR_EL3
        • (2)、Configure HCR_EL2

今天我們進行幾個示例，怎樣去配置MMU并建立頁表，加深對VMSA/MMU/CACHE等的理解。

1、簡介

在學習之前我們先回顧一些概念

術語介紹

• (1)、flat map : 一一映射，也就是虛擬地址=物理地址，官方說法是This means that the input virtual address and output physical address are the same for all translations，此時MMU作用其實就是控制內存屬性和權限
  (2)、full level 1 table ： 一個完整的 L1 頁表

Translation regimes

在ARMV8-aarch64的系統(tǒng)中，有如下Translation regimes，而我們今天就以Secure EL3 translation regime為例

Secure EL1&0 translation regime, when EL2 is disabled
Non-secure EL1&0 translation regime, when EL2 is disabled
Secure EL1&0 translation regime, when EL2 is enabled
Non-secure EL1&0 translation regime, when EL2 is enabled
Secure EL2&0 translation regime
Non-secure EL2&0 translation regime
Secure EL2 translation regime
Non-secure EL2 translation regime
Secure EL3 translation regime

2、構建頁表示例 – 一個簡單場景Single-level table at EL3

構建頁表都需要做哪些事情呢？

• 設置頁表基地址VBAR_EL3 (Specify the location of the translation table)
• 初始化MAIR_EL3 (Memory Attribute Indirection Register)
• 配置TCR_EL3 (Configure the translation regime)
• 創(chuàng)建頁表 (Generate the translation tables)
• Enable the MMU

(1)、設置頁表基地址VBAR_EL3

設置 TTBR0_EL3 = tt_l1_base

// Set the Base address // --------------------- LDR x0, =tt_l1_base // Get address of level 1 for TTBR0_EL3 MSR TTBR0_EL3, x0 // Set TTBR0_EL3 (NOTE: There is no TTBR1 at EL3)

思考： 那么 tt_l1_base 到底在哪里呢？

注意，Translation tables必需是對齊的， 如我們示例中，有一個完整的L1頁表，4KB的granule，一個完整的L1頁表包含512個entries，每個entries是8bytes，所以一個完整的L1頁表就是4KB, 所以tt_l1_base必需4KB對齊的

tt_l1_base 可以是定義在section段的一個全局變量，初始化全0，注意全0的entry恰好fault entry

section TT,"ax" .align 12 .global tt_l1_base tt_l1_base: .fill 4096 , 1 , 0

那么fault entry又是什么呢？

請參考ARMV8官方文檔
In general, a descriptor is one of:
? 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.


那么 descriptor 又是什么呢？？沒完沒了了是不，descriptor 可以理解成就是 entry.

(2)、初始化MAIR_EL3

我們先看以下MAIR_EL3寄存器的用法，64位的MAIR_EL3寄存器被分成了8個Attr，每一個Attr可以表示一類內存屬性

每一個Attr的配置如下：

對于Device Memory的配置，dd是啥含義呢？

對于Normal Memory的配置，oooo和iiii是啥含義呢？

那么RW又是啥含義呢？

好了，寄存器知識復習完了，接下來我們來看實列

如下所示，設置了3個index（3個Attr），分別是:

• index0 (Attr0) : 0x01000100 = Normal, Inner/Outer Non-Cacheable
• index1 (Attr1) : 0x11111111 = Normal, Inner/Outer WB/WA/RA
• index2 (Attr2) : 0x00000000 = Device-nGnRnE

// Set up memory attributes // ------------------------- // This equates to: // 0 = b01000100 = Normal, Inner/Outer Non-Cacheable // 1 = b11111111 = Normal, Inner/Outer WB/WA/RA // 2 = b00000000 = Device-nGnRnE MOV x0, #0x000000000000FF44 MSR MAIR_EL3, x0

設置完后，留著，后有大用！！

(3)、配置TCR_EL3 （Translation Control Register）

非常復雜的一個系統(tǒng)寄存器，不過還好，哥已經(jīng)給你整理出了一篇文檔，專門介紹TCR，參見《https://blog.csdn.net/weixin_42135087/article/details/112462416》, 本文就不再詳細介紹這些比特位了。

然后我們就可以看示例代碼了，牛批不是吹，你看這一個小小寄存器干了了多少事情：

• 配置了虛擬地址有效位是 39 ，也就意味著translation starts at L1， Why ???
• 頁表所在內存的內存屬性，Inner WB/WA、Outer WB/WA、Inner Shareable
• ignore top bytes
• 4KB granule
• 輸出32位物理地址

// Set up TCR_EL3 // --------------- MOV x0, #0x19 // T0SZ=0b011001 Limits VA space to 39 bits, // translation starts @ l1 ORR x0, x0, #(0x1 << 8) // IGRN0=0b01 Walks to TTBR0 are Inner WB/WA ORR x0, x0, #(0x1 << 10) // OGRN0=0b01 Walks to TTBR0 are Outer WB/WA ORR x0, x0, #(0x3 << 12) // SH0=0b11 Inner Shareable // TBI0=0b0 Setting this bit causes the top 8 bits of the virtual address to be ignored // TG0=0b00 4KB granule // IPS=0 32-bit PA space MSR TCR_EL3, x0

我們再來看看，為什么 配置了虛擬地址有效位是 39 ，就是意味著translation starts at L1 ？
請參考ARMV8的官方文檔，這是address translation的格式要求，虛擬地址有效位是39，也就是BIT[38:0], 所以也就不存在Level 0 table了，TTBR_EL3直接執(zhí)行Level 1 Table。

然后我們再來看每一個Table或每一個entry能夠cover住的范圍：

• L0 table: 512GB per entry – 注意，本示例中，沒有L 0 Table
• L1 tables: Each table covers 512GB, 1GB per entry
• L2 tables: Each table covers 1GB, 2MB per entry
• L3 tables: Each table covers 2MB, 4KB per entry

再配置好MMU相關的寄存器后，一定要記得 Invalidate TLBs， 這里操作的是Secure EL3 translation regime, 所以只要invalid EL3的TLB即可：

// Invalidate TLBs // ---------------- TLBI ALLE3 DSB SY ISB

(4)、創(chuàng)建頁表

我們創(chuàng)建一個啥樣子的頁表好呢？
TTBR0_EL3 指向 Level 1 Table， L1 Table中只有3個entry，每個entry管理者1G內存，也就是一共管理了3G內存的頁表，一一映射。如下圖所示：就是一張這樣的表

示例代碼如下：（吊不吊？，反正不是我寫的）

LDR x1, =tt_l1_base // Address of L1 table // [0]: 0x0000,0000 - 0x3FFF,FFFF LDR x0, =TT_S1_DEVICE_nGnRnE // Entry template // AP=0, RW // Don't need to OR in address, as it is 0 STR x0, [x1] // [1]: 0x4000,0000 - 0x7FFF,FFFF LDR x0, =TT_S1_DEVICE_nGnRnE // Entry template // AP=0, RW ORR x0, x0, #0x40000000 // 'OR' template with base physical address STR x0, [x1, #8] // [2]: 0x8000,0000 - 0xBFFF,FFFF (DRAM on the VE and Base Platform) LDR x0, =TT_S1_NORMAL_WBWA // Entry template ORR x0, x0, #TT_S1_INNER_SHARED // ‘OR’ with inner-shareable attribute // AP=0, RW ORR x0, x0, #0x80000000 // 'OR' template with base physical address STR x0, [x1, #16] DSB SY

注意：一般操作系統(tǒng)或軟件的實現(xiàn)本例這樣的場景時，會在運行時給L1 Table的其它entry賦0，而不像本例在編譯的時候，就定義了初始化位0的數(shù)組。

那么上述示例中的TT_S1_DEVICE_nGnRnE、TT_S1_NORMAL_WBWA、TT_S1_DEVICE_nGnRnE又是什么鬼？ 其實就是定義了3個內存屬性模板，每個模板都是Upper Attributes + Lower Attributes的集合

內存屬性相關比特位的解釋如下：

• Indx = b01, take Type information from entry [1] in the MAIR
• NS = b0, output physical addresses are Secure
• AP = b00, address is readable and writeable
• SH = b00, Non-shareable
• AF = b1, Access Flag is pre-set. No Access Flag Fault is generated on access
• nG = Not used at EL3
• Contig = b0, the entry is not part of a contiguous block
• PXN = b0, block is executable. This attribute is called XN at EL3.
• UXN = Not used at EL3

(5)、Enable the MMU

經(jīng)歷前面的4個步驟，是不是覺得已經(jīng)大功告成了？ 沒錯，基本完事了，還差最后一步，打開MMU。

// Enable MMU // ----------- MOV x0, #(1 << 0) // M=1 Enable the stage 1 MMU ORR x0, x0, #(1 << 2) // C=1 Enable data and unified caches ORR x0, x0, #(1 << 12) // I=1 Enable instruction fetches to allocate // into unified caches // A=0 Strict alignment checking disabled // SA=0 Stack alignment checking disabled // WXN=0 Write permission does not imply XN // EE=0 EL3 data accesses are little endian MSR SCTLR_EL3, x0 ISB

MMU就這樣被打開，至此一個構建開啟MMU構建頁表的完整示例就介紹完了，是不是覺得非常遺憾？ 感覺學到了什么，又好像沒學到什么。沒事慢慢來，后面還有。

3、構建頁表示例 – 稍微復雜一點場景Multiple levels of table at EL3

由于很多步驟在上一節(jié)都已經(jīng)講述過了，所以本節(jié)講述的僅僅是創(chuàng)建頁表 (Generate the translation tables)

• 設置頁表基地址VBAR_EL3 (Specify the location of the translation table)
• 初始化MAIR_EL3 (Memory Attribute Indirection Register)
• 配置TCR_EL3 (Configure the translation regime)
• 創(chuàng)建頁表 (Generate the translation tables)
• Enable the MMU

先構建L1 table，在L1 table中只讓 3個entries有效。其中：

• entry0 : 指向block，即0x0000,0000 - 0x3FFF,FFFF
• entry1 : 指向block，即0x4000,0000 - 0x7FFF,FFFF
• entry2 : 指向L2 table，控制著0x8000,0000 - 0xBFFF,FFFF地址空間

其實我們就是想建立一張下圖所示的表，entry0 和entry1還是依然指向block內存，entry2則指向了二級頁表

如下示例代碼，便是L1 Table的實現(xiàn)

// // Generate L1 table // LDR x1, =tt_l1_base // Address of L1 table // [0]: 0x0000,0000 - 0x3FFF,FFFF LDR x0, =TT_S1_DEVICE_nGnRnE // Entry template // AP=0, RW // Don't need to OR in address, as it is 0 STR x0, [x1] // [1]: 0x4000,0000 - 0x7FFF,FFFF LDR x0, =TT_S1_DEVICE_nGnRnE // Entry template // AP=0, RW ORR x0, x0, #0x40000000 // 'OR' template with base physical address STR x0, [x1, #8] // [2]: 0x8000,0000 - 0xBFFF,FFFF (DRAM on the VE and Base Platform) LDR x2, =tt_l2_base // Get address of L2 table LDR x0, =TT_S1_TABLE // Entry template for pointer to next level table ORR x0, x0, x2 // Combine template with L2 table Base address STR x0, [x1, #16] // Write template into entry table[2]

如下示例代碼，便是L2 Table的實現(xiàn)

// // Generate L2 table // … LDR x0, =tt_l2_base // Address of first L2 table // The L2 table covers the address range: // 0x8000_0000 - 0xBFFF_FFFF // // This example only populates entry 0, which covers: // 0x8000_0000 - 0x801F_FFFF LDR x1, =tt_l2_base // Address of L1 table LDR x0, =TT_S1_NORMAL_WBWA // Entry template ORR x0, x0, #TT_S1_INNER_SHARED // 'OR' with inner-shareable attribute // AP=0, RW ORR x0, x0, #0x80000000 // 'OR' template with base physical address STR x0, [x1] DSB SY 如下示例代碼，便是L1 Table的實現(xiàn)

4、構建頁表示例 – 繼續(xù)復雜一點場景Single-level table at EL1

在上面兩個小節(jié)已經(jīng)講述了Single-level table 、Multi-level table 的配置和映射場景，當然都是發(fā)生在EL3的。 本節(jié)再來繼續(xù)看一下如果是EL1呢？

配置和建立頁表需要做哪些事情，由于在前面都已經(jīng)講述過了，本節(jié)就不在重復描述了，我們來看看EL1和EL3不一樣的地方。

• 設置頁表基地址VBAR_EL3 (Specify the location of the translation table)
• 初始化MAIR_EL3 (Memory Attribute Indirection Register)
• 配置TCR_EL3 (Configure the translation regime)
• 創(chuàng)建頁表 (Generate the translation tables)
• Enable the MMU

For NS.EL1:

• Configure SCR_EL3
• Configure HCR_EL2

(1)、Configure SCR_EL3

// Configure SCR_EL3 // ------------------ MOV x0, #1 // NS=1 ORR x0, x0, #(1 << 1) // IRQ=1 IRQs routed to EL3 ORR x0, x0, #(1 << 2) // FIQ=1 FIQs routed to EL3 ORR x0, x0, #(1 << 3) // EA=1 SError routed to EL3 ORR x0, x0, #(1 << 8) // HCE=1 HVC instructions are enabled ORR x0, x0, #(1 << 10) // RW=1 Next EL down uses AArch64 ORR x0, x0, #(1 << 11) // ST=1 Secure EL1 can access timers MSR SCR_EL3, x0

(2)、Configure HCR_EL2

// Configure HCR_EL2 // ------------------ ORR w0, wzr, #(1 << 3) // FMO=1 ORR x0, x0, #(1 << 4) // IMO=1 ORR x0, x0, #(1 << 31) // RW=1 NS.EL1 is AArch64 // TGE=0 Entry to NS.EL1 is possible // VM=0 Stage 2 MMU disabled MSR HCR_EL2, x0

總結

以上是生活随笔為你收集整理的11-Memory Management Examples的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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