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深度学习arm MMU一篇就够了

發(fā)布時間：2025/3/21 pytorch 32 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了深度学习arm MMU一篇就够了小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

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- - - 1、MMU概念介紹
    - 2、虛擬地址空間和物理地址空間
    - - 2.1、(虛擬/物理)地址空間的范圍
      - 2.2、物理地址空間有效位(范圍)
      - 2.2.1、頁表翻譯相關(guān)寄存器的配置(TCR)
    - 3、Translation regimes
    - 4、地址翻譯/幾級頁表？
    - - 4.1、思考：頁表到底有幾級？
      - 4.2、以4KB granule為例，頁表的組成方式
      - 4.3、optee實際使用的示例
    - 5、頁表格式（Descriptor format）
    - - 5.1、ARMV8支持的3種頁表格式
      - 5.2、AArch64 Long Descriptor支持的四種entry
      - 5.3、頁表的屬性位介紹（ Block Descriptor/Page Descriptor ）
      - 5.4、mair寄存器的定義
    - 6、TCR寄存器介紹
    - 7、地址翻譯指令介紹
    - 8、地址翻譯相關(guān)的系統(tǒng)寄存器總結(jié)

思考
為什么要用虛擬地址？為什么要用MMU？
MMU硬件完成了地址翻譯，我們軟件還需要做什么？
MMU在哪里？MMU和SMMU是什么關(guān)系？

1、MMU概念介紹

MMU分為兩個部分: TLB maintenance 和 address translation

MMU的作用，主要是完成地址的翻譯，即虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，無論是main-memory地址(DDR地址)，還是IO地址(設(shè)備device地址)，在開啟了MMU的系統(tǒng)中，CPU發(fā)起的指令讀取、數(shù)據(jù)讀寫都是虛擬地址，在ARM Core內(nèi)部，會先經(jīng)過MMU將該虛擬地址自動轉(zhuǎn)換成物理地址，然后在將物理地址發(fā)送到AXI總線上，完成真正的物理內(nèi)存、物理設(shè)備的讀寫訪問.

那么為什么要用MMU？為什么要用虛擬地址？以下總結(jié)了三點：

多個程序獨(dú)立執(zhí)行 — 不需要知道具體物理地址
虛擬地址是連續(xù)的 — 程序可以在多個分段的物理內(nèi)存運(yùn)行
允許操作系統(tǒng)管理內(nèi)存 — 哪些是可見的，哪些是允許讀寫的，哪些是cacheable的……

既然MMU開啟后，硬件會自動的將虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址，那么還需要我們軟件做什么事情呢？即創(chuàng)建一個頁表翻譯都需要做哪些事情呢？或者說啟用一個MMU需要軟件做什么事情呢？

設(shè)置頁表基地址VBAR_EL3 (Specify the location of the translation table)
初始化MAIR_EL3 (Memory Attribute Indirection Register)
配置TCR_EL3 (Configure the translation regime)
創(chuàng)建頁表 (Generate the translation tables)
Enable the MMU

2、虛擬地址空間和物理地址空間

2.1、(虛擬/物理)地址空間的范圍

內(nèi)核虛擬地址空間的范圍是什么？應(yīng)用程序的虛擬地址空間的范圍是什么？
以前我們在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)時，最常看到的一句話是：內(nèi)核的虛擬地址空間范圍是3G-4G地址空間，應(yīng)用程序的虛擬地址空間的范圍是0-3G地址空間；到了aarch64上，則為：內(nèi)核的虛擬地址空間是0xffff_0000_0000_0000 - 0xffff_ffff_ffff_ffff , 應(yīng)用程序的虛擬地址空間是: 0x0000_0000_0000_0000 - 0x0000_ffff_ffff_ffff.
做為一名杠精，必需告訴你這句話是錯誤的。錯誤主要有兩點：
(1) arm處理器，并沒有規(guī)定你的內(nèi)核必需要使用哪套地址空間，以上這是Linux Kernel自己的設(shè)計，它設(shè)計了讓Linux Kernel使用0xffff_0000_0000_0000 - 0xffff_ffff_ffff_ffff地址區(qū)間，這里正好可以舉一個反例，比如optee os，它的kernel mode和user mode使用的都是高位的虛擬地址空間。
(2) 高位是有幾個F（幾個1）是根據(jù)你操作系統(tǒng)使用的有效虛擬地址位來決定的，也并非固定的。比如optee中的mode和user mode的虛擬地址空間范圍都是： 0x0000_0000_0000_0000 - 0x0000_0000_ffff_ffff

其實arm文檔中有一句標(biāo)準(zhǔn)的描述 :
高位是1的虛擬地址空間，使用TTBR1_ELx基地址寄存器進(jìn)行頁表翻譯；高位是0的虛擬地址空間，使用TTBR0_ELx基地址寄存器頁表翻譯。所以不應(yīng)該說，因為你使用了哪個寄存器(TTBR0/TTBR1)，然后決定了你使用的哪套虛擬地址空間；應(yīng)該說，你操作系統(tǒng)(或軟件)使用了哪套虛擬地址空間，決定了使用哪個哪個基地址寄存器(TTBR0/TTBR1)進(jìn)行翻譯。

As Figure shows, for 48-bit VAs:
? The address range translated using TTBR0_ELx is 0x0000000000000000 to 0x0000FFFFFFFFFFFF.
? The address range translated using TTBR1_ELx is 0xFFFF000000000000 to 0xFFFFFFFFFFFFFFFF.
In an implementation that includes ARMv8.2-LVA and is using Secure EL3 the 64KB translation granule, for 52-bit VAs:
? The address range translated using TTBR0_ELx is 0x0000000000000000 to 0x000FFFFFFFFFFFFF.
? The address range translated using TTBR1_ELx is 0xFFF0000000000000 to 0xFFFFFFFFFFFFFFFF.
Which TTBR_ELx is used depends only on the VA presented for translation. The most significant bits of the VA must all be the same value and:
? If the most significant bits of the VA are zero, then TTBR0_ELx is used.
? If the most significant bits of the VA are one, then TTBR1_ELx is used.

2.2、物理地址空間有效位(范圍)

具體每一個core的物理地址是多少位，其實都是定死的，虛擬地址是多少位，是編譯或開發(fā)的時候根據(jù)自己的需要自己配置的。如下表格摘出了部分arm core的物理地址有效位，所以你具體使用多少有效位的物理地址，可以查詢core TRM手冊。

2.2.1、頁表翻譯相關(guān)寄存器的配置(TCR)

ID_AA64MMFR0_EL1.PARange : Physical address size : 讀取arm寄存器，得到當(dāng)前系統(tǒng)支持的有效物理地址是多少位
TCR_EL1.IPS : Output address size : 告訴mmu，你需要給我輸出多少位的物理地址
TCR_EL1.T0SZ和TCR_EL1.T1SZ : Input address size : 告訴mmu，我輸入的是多數(shù)為的虛擬地址

3、Translation regimes

內(nèi)存管理單元 (MMU) 執(zhí)行地址翻譯。MMU 包含以下內(nèi)容：

The table walk unit : 它從內(nèi)存中讀取頁表，并完成地址轉(zhuǎn)換
Translation Lookaside Buffers (TLBs) ：緩存，相當(dāng)于cache

軟件看到的所有內(nèi)存地址都是虛擬的。這些內(nèi)存地址被傳遞到 MMU，它檢查最近使用的緩存轉(zhuǎn)換的 TLB。如果 MMU 沒有找到最近緩存的翻譯，表遍歷單元從內(nèi)存中讀取適當(dāng)?shù)囊粋€或多個表條目，如下所示：

Translation tables 的工作原理是將虛擬地址空間劃分為大小相等的塊，并在表中為每個塊提供一個entry。
Translation tables 中的entry 0 提供block 0 的映射，entry 1 提供block 1 的映射，依此類推。每個條目都包含相應(yīng)物理內(nèi)存塊的地址以及訪問物理地址時要使用的屬性。

Secure EL1&0 translation regime, when EL2 is disabled
Non-secure EL1&0 translation regime, when EL2 is disabled
Secure EL1&0 translation regime, when EL2 is enabled
Non-secure EL1&0 translation regime, when EL2 is enabled
Secure EL2&0 translation regime
Non-secure EL2&0 translation regime
Secure EL2 translation regime
Non-secure EL2 translation regime
Secure EL3 translation regime

Secure and Non-secure addresses
在REE(linux)和TEE(optee)雙系統(tǒng)的環(huán)境下，可同時開啟兩個系統(tǒng)的MMU.
在secure和non-secure中使用不同的頁表.secure的頁表可以映射non-secure的內(nèi)存，而non-secure的頁表不能去映射secure的內(nèi)存，否則在轉(zhuǎn)換時會發(fā)生錯誤

Two Stage Translations

4、地址翻譯/幾級頁表？

4.1、思考：頁表到底有幾級？

4.2、以4KB granule為例，頁表的組成方式

除了第一級index(這里是leve 0 table中的index)，每一個查找table/page的index都是9個bit，也就是說除了第一級頁表，后面的每一級table都是有512個offset
如果VA_BIT = 39，那么leve 0 table用BIT[38:39]表示，只有1個offset
如果VA_BIT = 48，那么leve 0 table用BIT[47:39]表示，有512個offset
如果VA_BIT > 48，那是不存在的，因為arm規(guī)定，大于48的，只有一個，那就是VA_BIT=52，并且規(guī)定該情況下的最小granue size=64KB，而我們這里講述的是granue size=4KB的情況
如果VA_BIT = 32，那么leve 0 table就不用了，TTBR_ELx指向Level 1 table
另外我們還需注意一點，在Level 0 table中，他只能指向D_Table，不能指向D_Block

4.3、optee實際使用的示例

32位有效虛擬地址、32位有效物理地址，3級頁表查詢(L1、L2、L3)，顆粒的位4KB

5、頁表格式（Descriptor format）

5.1、ARMV8支持的3種頁表格式

AArch64 Long Descriptor : 我們只學(xué)習(xí)這個
Armv7-A Long Descriptor ： for Large Physical Address Extension (LPAE)
Armv7-A Short Descriptor

Armv8-A supports three different sets of translation table format:
? The Armv8-A AArch64 Long Descriptor format.
? The Armv7-A Long Descriptor format such as the Large Physical Address Extension (LPAE) to the Armv7-A architecture, for example, the Arm Cortex-A15 processor.
? The Armv7-A Short Descriptor format.

5.2、AArch64 Long Descriptor支持的四種entry

對于AArch64 Long Descriptor，又分為下面四種entry：

An invalid or fault entry.
A table entry, that points to the next-level translation table.
A block entry, that defines the memory properties for the access.
A reserved format

注意：entry[1:0] 表示該entry屬于哪類entry， Block Descriptor和Page Descriptor是一個意思。在當(dāng)前架構(gòu)中，reserved也是invalid。

5.3、頁表的屬性位介紹（ Block Descriptor/Page Descriptor ）

內(nèi)存屬性相關(guān)比特位的解釋如下：

Indx = b01, take Type information from entry [1] in the MAIR
NS = b0, output physical addresses are Secure
AP = b00, address is readable and writeable
SH = b00, Non-shareable
AF = b1, Access Flag is pre-set. No Access Flag Fault is generated on access
nG = Not used at EL3
Contig = b0, the entry is not part of a contiguous block
PXN = b0, block is executable. This attribute is called XN at EL3.
UXN = Not used at EL3

5.4、mair寄存器的定義

6、TCR寄存器介紹

在ARM Core中(aarch64)，有三個Translation Control Register 寄存器:

TCR_EL1
TCR_EL2
TCR_EL3

比特位功能說明

ORGN1、IRGN1、ORGN0、IRGN0	cacheable屬性	outer/inner cableability的屬性(如直寫模式、回寫模式)
SH1、SH0	shareable屬性	cache的共享屬性配置(如non-shareable, outer/inner shareable)
TG0/TG1	Granule size	Granule size(其實就是頁面的大小,4k/16k/64k)
IPS	物理地址size	物理地址size,如32bit/36bit/40bit
EPD1、EPD0	-	TTBR_EL1/TTBR_EL0的enable和disable
TBI1、TBI0	-	top addr是ignore，還是用于MTE的計算
A1	-	ASID的選擇，是使用TTBR_EL1中的，還是使用TTBR_EL0中的
AS	-	ASID是使用8bit，還是使用16bit

7、地址翻譯指令介紹

address translation的指令大約14個：

總結(jié)一下：

8、地址翻譯相關(guān)的系統(tǒng)寄存器總結(jié)

地址轉(zhuǎn)換由系統(tǒng)寄存器的組合控制：
(1)、SCTLR_ELx

M - Enable Memory Management Unit (MMU).
C - Enable for data and unified caches.
EE - Endianness of translation table walks.

(2)、TTBR0_ELx and TTBR1_ELx

BADDR - Physical address (PA) (or intermediate physical address, IPA, for EL0/EL1) of start of translation table.
ASID - The Address Space Identifier for Non-Global translations.

(3)、TCR_ELx

PS/IPS - Size of PA or IPA space, the maximum output addresssize.
TnSZ - Size of address space covered by table.
TGn - Granule size.
SH/IRGN/ORGN - Cacheability and shareability to be used by MMU table walks.
TBIn - Disabling of table walks to a specific table.

(4)、MAIR_ELx

Attr - Controls the Type and cacheability in Stage 1 tables.

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的深度学习arm MMU一篇就够了的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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