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。
作者: wangyw
文章来源:https://www.cnblogs.com/fozu/p/4601291.html
推荐阅读
更多物联网安全,PSA等技术干货请关注平台安全架构(PSA)专栏。欢迎添加极术小姐姐微信(id:aijishu20)加入PSA技术交流群,请备注研究方向。