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修志龙_ZenonXiu · 2023年02月27日 · 上海市浦东新区

神奇的MTE Tag在哪里?

常有人问MTE Tag在哪里?

MTE Tag存在于两个地方:

  1. MTE tag放在访问地址的bit 56:59,比如通过LDR Xm, [Xn]访问内存,Xn里面存放的是访问地址,当MTE使能的时候,真正用于访问内存的地址是bit 0:47(不考虑arm的52bit地址扩展)和bit 55 (bit55用于决定是高虚拟地址空间还是低虚拟地址空间),bit 56:59 这4个bit用于存放该地址的tag
    1.jpg

Xn的Tag生成和插入可以IRG,ADDG,SUBG等这些指令来实现:

  • IRG Xn, Xn:为Xn中的地址生成一个随机的Tag,并插入到Xn的bit 56:59
  • ADDG Xm,Xn,#offset,#Tag or
  • ADDG Xm,Xn,#offset,#Tag: 对Xn中的地址进行加减操作,并将指令中的Tag值插入到目的寄存器中

当然软件也可以直接通过一般的指令直接改Xn寄存器的bit 56:59,比如
AND Xn, Xn, #~(0xf<<56)

  1. MTE tag放在内存中(内存可以是cache或是外部内存):
    每16-bye的物理地址空间有与之对应的4-bit的Tag存储空间
    7.jpg

在cache中,可以如下类似方式存储一个cache line(较新处理器Data cache都是PIPT的)对应的Tag:
12.jpg

对于外部内存,实际系统中设计上,可以设计为在同一系统内存中大部分内存作为正常的数据存储使用,一部分内存用于存储数据对应的Tag(其关系是4-bit/16-byte, 既Tag的存储空间大小是正常数据存储大小的1/32)。每16-byte的物理内存对可以找到与之对应的4-bit Tag存储物理内存。
8.jpg

下面通过一实例来演示。
假设访问的地址放在X0中
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  1. 为这个地址产生设置一个Tag,可以通过IRG指令来实现
    2.jpg
  2. 将这个Tag保存到Tag存储内存,可以通过,STG,STGZ, ST2G / STZ2G这些指令来实现
    3.jpg
  3. 对Tagged内存进行load/store访问,这会触发硬件的tag check操作
    4.jpg

在这个例子里面X0里面的tag和内存中保存的tag是match的,因此Tag Check成功。

  1. 通过ADDG指令修改Xn中地址的Tag
    5.jpg
  2. 对Tagged内存进行load/store访问,这会触发硬件的tag check操作
    6.jpg

X0里面的tag和内存中保存的tag不match,因此Tag Check失败。

Tag存储和check的示例

以上内容阐述了tag存储和check的基本知识,下面以一个实际的例子来帮助更深入理解。
我们从上面的IRG,STG,LDR/STR等指令可以看出,Tag的存储在软件上看并没有独立的访问地址,对Tag的访问是使用其对应的数据访问地址:

  1. 如果数据在处理器的cache中,那么其该数据所在的cache line也可以包含数据对应的Tag, MTE Tag check可以在CPU中进行。
  2. 但如果数据不在cache中(cache的大小有限),那么就需要将数据和Tag存放在系统内存(DRAM)中。那系统如何在系统内存中存放和访问数据和Tag呢?Tag check发生在哪里?
    我们以一个使用CI-700的系统为例。
    9.jpg

CI-700可以包含支持MTE Tag的system cache, 除此之外,它还可以包含MTSX,而MTSX包含:

  1. 支持计算一个访问地址在DRAM中对应的Tag访问地址的split logic, 通过软件设置的Tag_base_address, split logic可以换算出一个地址对对应的Tag在DRAM存放的位置。
    8.jpg
  2. 支持Tag check (Tag 比较)
  3. 支持对专门只缓存Tag值的MTE Tag cache,这是一个可选的功能。

MTSX split logic可以将CPU发送的Tagged address访问拆分成正常的数据访问和对Tag的访问,从而使DMC不需要区别正常数据访问和Tag访问(DMC对数据还是Tag访问无感,DMC不需要对MTE做特殊的支持)。

以STG X0,[X0]为例,这个指令如果在cache中miss,那么将产生一个TagOps为Update的CHI transaction,传输到MTSX,这个transaction包含放在X0中的数据访问地址和Tag Value。MTSX的split logic负责换算出这个数据访问地址对应的Tag在DRAM中的地址,然后使用这个地址将Tag value更新到DRAM中。
10.jpg

如果一个Tagged address的数据从cache中write back到DRAM中,将产生一个TagOps为Match的CHI transaction, 传输到MTSX, 这个transaction包含数据访问地址,数据值和Tag Value,MTSX的split logic负责其拆分为:

  1. Tag访问:换算出这个数据访问地址对应的Tag在DRAM中的地址,从这个地址中取出Tag值,然后由MTSX的Tag Compare logic比较取出Tag值和transaction带有的Tag Value。
  2. 正常数据写操作
    11.jpg
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