ARM 内存管理翻译笔记

参考文献：

1.《ARM Cortex-A(armV7)编程手册V4.0》

2.《ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition》

3.《深入理解Linux内核》

注意：尽量阅读原文ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition，作者只做了自己需要了解的部分的翻译。尽量避免断章取义。

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1.Virtual Memory System Architecture (VMSA)虚拟内存系统架构

B3.1 About the VMSA 关于VMSA

        在VMSAv7中，内存管理单元(MMU)控制地址转换、访问权限和内存属性的确定和检查，以及处理器进行的内存访问。MMU由系统控制寄存器控制，也可以禁用MMU。

        每个MMU使用一组地址转换和内存映射表中的相关内存属性。对于MMU，转换表定义了以下属性：

• 访问安全或不安全地址映射
• 内存访问权限控制：不访问、只读、只写、只读/写
• 内存区域属性：顶层属性、内存类型、设备类型等
• 地址转换映射：
  • 如果只有一个转换阶段，那么就是从虚拟地址（VA）到物理地址（PA）
  • 如果由两个转换阶段，那么第一阶段从虚拟地址转到中间物理地址（IPA），第二阶段从IPA转到PA，如下图

        系统控制协处理器(CP15)寄存器控制VMSA，包括定义转换表的位置，以及启用和配mmu。此外，它们还会报告在内存访问过程中发生的任何故障。

 B3.1.1 Address types used in a VMSA description VMSA介绍中用到的地址

        对VMSAv7的描述引用了以下地址类型：

        虚拟地址：  指令中使用的地址，作为数据或指令地址，是虚拟地址(VA)。PC、LR或SP中的地址是VA。VA映射从零运行到VA空间的大小。对于ARMv7，最大VA空间为4GB，最大VA范围为0x00000000-0xFFFFFFFF。

        中间物理地址：在提供两个地址转换阶段的转换中，IPA是第1阶段转换后的地址，也是第2阶段转换的输入地址。在只提供一个地址转换阶段的转换机制中，IPA与PA相同。

        在ARM VMSA实现中，只提供了一个地址转换的阶段：

•         如果实现不包含虚拟化扩展
•         安全状态执行时
•         在Hyp模式下执行。

B3.1.2 Address spaces in a VMSA implementation VMSA中的地址空间

        ARMv7体系结构支持：

• 最多32位的VA地址空间。实际宽度为具体实现定义
• 一个高达40位的IPA地址空间。转换表和相关的系统控制寄存器定义了所实现的地址空间的宽度。

        备注：大型物理地址扩展程序定义了两种转换表格式。长描述符格式允许以4kb的粒度访问完整的40位IPA或PA地址空间。短描述符格式：

• 允许访问32位PA地址空间，但最小访问单位为4KB。
• 用于访问40位的PA地址空间，但最小访问单位为16MB。

B3.1.3 About address translation 地址转换

        地址转换是将一种地址类型映射到另一种地址类型的过程，例如，将VAs映射到IPAs，或将VAs映射到PAs。转换表定义了从一种地址类型到另一种地址类型的映射。

        转换表基址寄存器表示转换表的开始。

        一个完整的转换表查找过程被称为转换表遍历。它是由硬件自动执行的，并且会耗费一些时间。为了完成VA到PA的映射，由于最小访问单位的原因，单个输入地址到输出地址的转换可能需要对转换表进行多次访问，每次访问都提供更小的访问单元。每次访问都被描述为一个地址查找级别。查找的最后一个级别定义了：

• 所需的输出地址
• 被寻址的存储器的属性和访问权限

        转换备用缓冲区(TLBs)通过缓存转换表遍历的结果，降低了内存访问的平均时间。TLBs表现为转换信息表的缓存，为了管理TLBs的内容，VMSA为TLBs提供了维护操作。

B3.3 Translation tables

        VMSAv7定义了两种可替代的转换表格式:

        短描述符格式:不包含大型物理地址扩展的实现中唯一支持的格式。它在转换表中使用了32位的描述符条目，并提供了：

• 最多两级地址查找;
• 32位输入地址;
• 输出地址最高可达40位;
• 通过使用supersections实现32位以上地址的支持，最小内存单位为16MB
• 支持无访问域、客户端域和管理器域
• 32位的表条目（entry）

        长描述符格式:大型物理地址扩展增加了对这种格式的支持。它在转化表中使用了64位的描述符条目，并提供了：

• 最多三级地址查找
• 第二级转换时，输入地址高达40位
• 输出地址高达40位
• 整个PA范围使用4kb的最小内存访问单元
• 不支持域，所有存储区都被视为在客户域中
• 64位表条目
• 固定4kB的表大小，除非输入地址被截断

B3.3.2 Information returned by a translation table lookup 转换表遍历返回结果

        在VMSA实现中，当启用了关联的MMU时，内存访问需要一个或多个转换表查找。如果TLB中没有转换所需的转换表描述符，则执行转换表遍历以获取描述符。无论是从TLB还是作为转换表遍历的结果，都返回：

• 与查找的输入地址对应的输出地址
• 与该输出地址对应的一组属性。

B3.5 Short-descriptor translation table format

短描述符转换表格式

        短描述符转换表格式支持以内存段（memory sections）或内存页（memory pages）为基础的内存映射（笔记：section和page是内存单元的描述）：

• Spersections: 16MB的内存块（memory block）
• Sections:         1MB的内存块
• Large pages:   64KB的内存块
• Small pages:     4KB的内存块

        Supersections, Sections 和Large pages 映射内存的大区域，他们只使用一个TLB条目。

        当使用段描述符转换表格式时，内存中保留两级转换表：

        第一级转换表：包含基地址，Section和Supersection的转换属性，指向第二级表的Large page或者Small page的指针；

        第二级转换表：包含基地址，Small page和Large page的转换属性，二级表需要1KB的内存，二级表也叫做页表（page table）

        在转换表中，描述符可以是：

• 一个无效的或错误的记录
• 一个页或者段的记录，它定义了内存访问属性
• 保留的格式

描述符的位[1：0]给出了描述符类型。

图B3-3给出了在使用短描述符转换表格式时的地址转换的一般视图。

图中说明了虚拟地址VA[31-N:20]包含了一级转换表的索引信息，VA[19:12]包含二级表（页表）的索引信息。

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 B3.5.1 Short-descriptor translation table format descriptors

        短描述符转换表的一级描述符格式

        第一级表中的每个条目都描述了关联的1MB 的MVA（修改后的虚拟地址）的映射。

        一种32位的描述符格式如下，最后两位bits[1:0]决定描述符类型，这两位为01时，描述符给出了一个二级转换表的地址，该表指定了关联的1MByte 的VA映射。

         第一级描述符中的地址信息为：

         Page table ：描述符的位Bits[31:10]是页（Page）地址的bits[31:10]位

        Section：描述符的位Bits[31:20]是节（Section）地址的bits[31:20]位

        Supersection：描述符的位 Bits[31:24]是超级块（Supersection）地址的 bits[31:24]位

                

        笔记：使用Section作为一级页表中的最小寻址单位时，共12位地址表示，也就是一级描述符将4GB的虚拟地址划分为 4096*1MB。

Short-descriptor translation table second-level descriptor formats

短描述符转换表的二级描述符格式

        二级描述符中的地址信息为：

        Large page：描述符的位 Bits[31:16]是大页（Large page）地址的 bits[31:16]位

        Small page：描述符的位 Bits[31:12]是小页（Small page）地址的 bits[31:12]位

·        笔记：使用Small Page作为二级页表的最小寻址单位时，共20位地址表示，也就是2^20*4KB = 4GB

B3.5.2 Memory attributes in the Short-descriptor translation table format descriptors

B3.5.2短描述符转换表格式描述符中的内存属性

        本节描述除描述符类型字段和地址字段以外的描述符字段：

          TEX[2:0], C, B    内存区域属性位

         AP[2], AP[1:0]    访问权限位

B3.5.5 Translation table walks, when using the Short-descriptor translation table format

3.5.5翻译表遍历时，使用短描述符转换表格式

Section(1MB)的转换流程

Small page的转换流程