如何在Android用上armv9 CPU的新功能

基于Armv9 CPU的手机芯片已经被广泛采用。如何在Android用上Armv9 CPU新引入的PAC，BTI, MTE安全特性和SVE2呢？
早在2020年，arm已经和google合作将这些新特性带入到Android 12, NDK r23也支持了PAC, BTI等。

1. 如何利用PAC, BTI 功能

a. Linux kernel

需要使用linux v5.10及以后的支持PAC，BTI的版本：
Kernel配置需要使能CONFIG_ARM64_PTR_AUTH=y, 这使能了user space的PAC支持。如果要使能kernel代码本身的PAC保护，需要使能ARM64_PTR_AUTH_KERNEL =y。
BTI的支持类似，需要使能CONFIG_ARM64_BTI和CONFIG_ARM64_BTI_KERNEL。
还需要支持PAC和BTI的GCC编译器。
因为Kernel可使用软件随机数来产生PAC的key, 支持PAC不需要SoC层面的支持。BTI的影响纯粹在CPU层面，更不需要SoC层面的支持。使能PAC和BTI非常便捷。

b. AOSP

需要在创建的device的makefile　 device/<company-name>/<device-name>/ boardconfig.mk 选择合适的　TARGET_ARCH_VARIANT，如果要利用上PAC，BTI，需要设置TARGET_ARCH_VARIANT := armv8-a-branchprot　
这样编译AOSP时，https://android.googlesource....

会选择NDK LLVM编译的选项为-mbranch-protection=standard, 此选项会让编译器编译出带PAC和BTI指令的库，可执行性文件。
如果通过llvm-readelf查看编译后的目标文件，可以看到这样的属性：

Properties:    aarch64 feature: BTI, PAC

c. 自有native程序，库

需要在项目对应的编译选项在加上

-mbranch-protection=standard

２．如何利用MTE

a.　硬件平台要求

• 支持MTE的CPU
• 支持MTE transaction的总线接口，如CHI-E总线
• 支持MTE的互联(Interconnect)，如CI-700(用来解释分拆MTE transaction，将MTE translation转换为对DRAM里用来存储MTE tag的内存区域的一般访问，optionally, CI-700可以有MTE cache来cache MTE tag访问)

b. Firmware的支持

• 使能EL2, EL1, EL0对MTE tag访问
• 如果使用如CI-700的互联，需要配置CI-700寄存器，以告知DRAM中存放MTE tag内存区域的地址信息

c.　Linux Kernel

需要使能

CONFIG_ARM64_MTE=y, CONFIG_KASAN=y, CONFIG_KASAN_HW_TAGS=y

使kernel支持user space利用MTE

d. Android的支持

参见Google Android document:
https://source.android.com/do...

• 对应heap-tagging（malloc，free）的支持，scudo库已经通过intrinsics支持，不需要额外的编译命令
  external/scudo/standalone/memtag.h

• 对于每个进程是否要使用heap-tagging，使用synch或是async的MTE check模式，可以
  a) 对一个项目，可以在Android.bp中
  
  例如在external/iptables/iptables/Android.bp 中
  

或是Android.mk中

b) 使用product variable对source tree下的子目录

或是

通过llvm-readelf可以看到编译出来的目标文件具有

.note.android.memtag

属性

以上编译配置可以在运行时通过以下系统属性override

  arm64.memtag.process.<name> = (off | sync | async)

其中name是可执行文件的名字。

c)设置执行环境变量

MEMTAG_OPTIONS=(off|sync|async)

通过以上环境变量设置之后启动的native应用都按配置做MTE检查

d) 通过AndroidManifest.xml
通过AndroidManifest.xml下的<application> 或 <process>，设置

android:memtagMode=(off|default|sync|async)

例如在packages/modules/Bluetooth/android/app/AndroidManifest.xml中

e) 运行时设置
开发者可以通过调用

int mallopt(M_BIONIC_SET_HEAP_TAGGING_LEVEL, level)

动态控制MTE模式，level可以是

● M_HEAP_TAGGING_LEVEL_NONE
● M_HEAP_TAGGING_LEVEL_ASYNC
● M_HEAP_TAGGING_LEVEL_SYNC

• 为Android image编译提供MTE的支持
  Google强烈建议在开发阶段为所有的native二进制使能MTE sync check， 可以通过设置环境变量

  SANITIZE_TARGET=memtag_heap SANITIZE_TARGET_DIAG=memtag_heap m
  

  这使除zygote64之外的native应用对进行MTE check.
  在build/make/core/config_sanitizers.mk中

3. 如何利用SVE2

a. Linux Kernel

需要使能CONFIG_ARM64_SVE=y, kernel本身不利用SVE，主要是save/restore SVE寄存器context, 并通过auxv HWCAP/HWCAP2告诉user space平台对SVE的支持。

b. AOSP

目前阶段AOSP项目本身还未使用SVE2，SVE2的优化还在持续进行中。

c. 自有应用/库

可以利用SVE2 intrinsics或内嵌汇编优化，并在项目编译选项中加入-march= … +sve2
比如arm compute library就已经有SVE/SVE2的支持，
https://github.com/ARM-softwa...