ARMv8高速缓存（Cache）和内存管理单元（MMU）

ARMv8高速缓存（Cache）和内存管理单元（MMU）

1 Cache

1.1 Cache概述

处理器的存储器的时钟频率的不一致导致了二者访存速率的差异，Cache则是用于在一定成本范围内弥补此种差异的高速缓存器件。

“…the frequency of external buses and of memory devices has not scaled
to the same extent…, A cache is a small, fast block of memory that
sits between the core and main memory.”

Cache的缓存工作方式由Cachde控制器（Cache Controller）控制，若Cache中存有处理器访问的地址上的数据/指令（即cache命中，称为hit），则将其提供给处理器，否则（即miss）向下一层次存储器请求补充处理器访问的数据/指令到Cache。

部分命中时，先向处理器提供已存有的数据，再向下一层次处理器请求补充。

“…the core first retrieves that part of the cache line that contains
the requested data…then read the rest of the cache line, in the
background.”

1.2 Cache策略

Cache策略（Cache Policies）即Cache的工作规则，规定Cache何时填充数据（即填充策略）、如何响应STR指令（即写策略）。填充策略有Write Allocation、Read Allocation两种。写策略有Write-back、Write-through两种。

Write Allocation指在Write Miss发生时填充新行（Cache填充的最小单位就是行）。

Read Allocation指在Read Miss发生时填充新行。

Write-back指仅在行被修改后并将被覆盖/清除时更新到下一级存储器，其余时候对数据的修只发生在处理器和Cache之间（会标记为dirty）。

Write-through指同时修改Cache和下一级存储器（不会标记为dirty）。

1.3 POC和POU

POC和POU是用于描述系统局部某个存储器的地位的概念。在不同的访问者（处理器、DMA等）能访问同一个存储器的时候，这个存储器就是Point of Coherency， POC。而Cache、TLB能访问的同一个存储器，则称为Point of Unification， POU。

详细记一下：有了POU这个概念，我们就能更方便地描述invalidation和cleaning等和Cache相关的操作了。在有这个概念之前，描述存储器和Cache的关系需要说“上级高速缓存关联的下级存储器“，现在我们可以直接说”这个Cache的POU“，如果限定了语境，直接说”POU“就知道是指的哪个存储器了。总之这就是一个存储层级体系概念，没有太多特别的。

1.4 Cache的Invalidation和Cleaning

Invalidation指通过清除Cache行的valid位。

Cleaning指把标记为dirty的Cache行写到下一层次存储器并清除dirty位。

相关操作指令见DEN0024A_v8_architecture_PG ARM® Cortex® -A Series Version: 1.0 Programmer’s Guide for ARMv8-A Table 11-1。

---

2 MMU

2.1 架构特性

MMU用于控制内存的Cache策略、内存属性、访问权限并提供虚拟地址映射功能。

“…controls the cache policy, memory attributes, and access
permissions, and provides Virtual to Physical Address translation. “

ARMv8中与MMU关联的寄存器主要有映射控制寄存器（Translation Control Register，TCR_ELx）、用于存放一些预置的内存属性的内存属性间接寄存器（Memory Attribute Indirection Register，MAIR_ELx）、存放映射表基地址的映射表基地址寄存器（Translation Table Base Register，TTBR0_ELx）。

地址映射最大位宽48bits，支持4KB./16KB/64KB三种粒度（Granule Size），最深4级映射。
除ARMv7-A支持的ARMv7-A Long Descriptor format和Armv7-A Short Descriptor format之外，ARMv8新增一种映射表描述符ARMv8-A AArch64 Long Descriptor format。

2.2 访问权限控制

内存属性包含的访问权限属性需要特别关注，支持分别对EL0的非特权访问和EL1/2/3D的特权访问设置访问权限，如下表。

3 地址映射

此处的地址映射（address translation）特指将指令使用的地址（包括存储在PC、SP、LR、ELR中的地址）转换为物理内存中的地址的过程。
“Address translation converts the addresses used by instructions to the addresses used by the physical memory system.”

3.1 映射范围

映射空间的大小（位宽）可以通过读取只读寄存器寄存器ID_AA64MMFR0_EL1的PA段获知，PA[0:4]的值和映射空间大小的关系参考下图。A53为1TB。

注意这个大小是架构所能支持的极限大小，实际的映射的虚拟地址和物理地址范围是通过TCR_ELx寄存器的{I}PS段和TnSZ段配置的。
映射输入（虚拟地址）的大小（位宽）可通过TCR_ELx寄存器的TnSZ段配置。

映射输出（物理地址）的大小（位宽）可通过TCR_ELx寄存器的{I}PS段（EL1是IPS段，EL2和EL3是PS段）配置，其值与输出位宽的关系如下图。A53上电默认为32bits。

每个entry对应的虚拟地址范围大小与映射的粒度（granule）关联，如下表。

3.2 映射过程

映射过程可参考下图。

映射表中的描述符可分为Table Descriptor、Block Descriptor和Page Descriptor三类，Table Descriptor描述下级Translation Table的位置和属性、后两种描述符指明对应地址空间的属性。

3.3 映射表描述符格式

在处于AArch64运行状态下的异常等级中，映射表描述符（Translation Table Descriptor）统一使用VMSAv8-64格式——包括无效描述符格式（Invalid Descriptor Format）、映射表描述符格式（Translation Table Descriptor Format）、块或页描述符格式（Block or Page Descriptor Format）共四种。
描述符类型取决于描述符的最低两bits和描述符的lookup level。

物理地址空间位宽48Bits时的Block Descriptor格式如下

3.4 被映射空间的内存属性

我们已经知道，映射表描述符除了附近两级描述映射表的结构、虚拟地址和物理地址的映射关系之外，还描述被映射地址空间的内存属性。
相关的描述记录在描述符的Upper attributes和Lower attributes两个段中。

3.4.1 内存类型和缓存属性

内存类型（Memory Type）和是否缓存（Cacheability）由描述符的AttrIndx[2:0]决定。这个段的值将用于选择MAIR_ELx寄存器中预置的属性。

MAIR_ELx寄存器最多可预置8个8bits的属性描述，其结构如下如所示。

3.4.2 内存的共享属性

内存的共享属性（Shareability）由Lower attributes中的SH[1:0]决定。

3.5 ARMv8映射表总结

ARMv8以TTRB0寄存器的值为基地址，根据各级描述符构建映射表结构。
映射表描述符分为Table、Block和Page三类，Table Descriptor指向下一级映射表。
Block和Page描述符中需要关注的配置包括Block/Page起始地址、内存的Cacheability和Shareability。
描述符代表的地址空间大小（位宽）与粒度（granule）和描述符的层级（level）有关。

这里以48bits物理地址位宽、4KB粒度为例说明一下。映射表lv1中的每个描述符对应1GB的地址空间。描述符的[47:30]是OA，[7:6]对应Shareability，[4:2]用用于选择MAIR_ELx中的预置内存属性。