[mmu/cache]-ARM MMU/TLB的学习笔记和总结

思考：
页表最大支持几级页表查询?
虚拟地址的有效位一般是多少？最大是多少？
虚拟地址的高16bit的用途？
查询到的页面的大小，可以是多大？

Memory Management Unit (MMU)的主要功能就是能够让系统在执行多任务时，作为一个独立的程序运行它自己的虚拟地址空间中，它们无需知道真正的物理地址是什么。开启MMU的硬件框图如下所示：

Virtual and physical memory的映射图如下所示:

一、Translation Lookaside Buffer (TLB)

1.1 TLB entry里有什么？

TLB中不仅仅包含物理地址和虚拟地址，它还包含一些属性，例如：memory type、cache policies、access permissions、ASID、VMID
注:ASID - Address Space ID, VMID - Virtual Machine ID

1.2 contiguous block entries

TLB拥有固定数目的entries，所以你可以通过减少外部内存地址转换的次数来提升TLB hit率.

在ARMV8 architecture中有一个TLB中的feature叫contiguous block entries，它表示一个entry可以对应多个blocks.。一个entry找到多个blocks，再通过index来查找具体是哪个block。页表的block entries中，也有一个contiguous bit。这个bit为1,则表示开启了TLB的contiguous block entries feature。contiguous block entries feature要求alignment，例如：

16 × 4KB adjacent blocks giving a 64KB entry with 4KB granule. 缓存64kb blocks,只需16 enties
32 × 32MB adjacent blocks giving a 1GB entry for L2 descriptors, 128 × 16KB giving a 2MB entry for L3 descriptors when using a 16KB granule.
32 × 64Kb adjacent blocks giving a 2MB entry with a 64KB granule.

如果支持了contiguous bit，那么:TLB查询后的PA = TLB entry中的PA + index。

1.3 TLB abort

如果开启了contiguous bit，而要转换的table entries却不是连续的，或者entries的output在地址范围之外或没有对齐，那么将会产生TLB abort。

1.4 TLB一致性

如果os修改了页表(entries)，那么os需要告诉TLB，invalid这些TLB entries，这是需要软件来做的. 指令如下:

TLBI <type><level>{IS} {, <Xt>}

二、Translation table

2.1 TTBR0/TTBR1

ARM文档说：因为应用程序切换时要切换页表，页表经常改变，而kernel切换时不需要切换页表，页表几乎不改。所以ARM就提供了 a number of features，也就是TTBR0和TTBR1两个页表基地址。

TTBR0用于0x00000000_00000000 - 0x0000FFFF_FFFFFFFF虚拟地址空间的翻译，TTBR1用于0xFFFF0000_00000000 - 0xFFFFFFFF_FFFFFFFF虚拟地址空间的翻译。

EL2/EL3只有TTBR0，没有TTBR1，所以EL2/EL3的虚拟地址空间是:0x0000FFFF_FFFFFFFF

2.2 页表的entry中包含哪些信息

MMU除了完成地址的翻译，还控制访问权限、memory ordering、cache policies。

如图所示，列出了三种类型的entry信息:

bits[1:0]表示该输出是block address，还是next level table address，还是invalid entry

2.3 granule sizes

有三种granule sizes的页表:4kb、16kb、64kb

2.4 Cache configuration

MMU使用translation tables 和 translation registers控制着cache policy、memory attributes、access permissions、va到pa的转换

三、 ARM mmu三级页表查询的过程

(1)、在开启MMU后，cpu发起的读写地址是一个64bit的虚拟地址，
(2)、该虚拟地址的高16bit要么是全0，要么是全1. 如果是全0，则选择TTBR0ELx作为L1页表的基地址; 如果是全1，则选择TTBR1ELx作为L1页表的基地址;
(3)、TTBRx_ELn作为L1页表，它指向L2页表，在根据bit[41:29]的index，查询到L3页表的基地址
(4)(5)、有了L3页表的基地址之后，在根据bit[28:16]的index，查询到页面的地址
(6)、最后再根据bit[15:0]查找到最终的物理地址