ARMv8 MMU页表格式及地址转换过程分析
1.简介
CPU发出的虚拟地址经过MMU转换后得到物理地址，然后使用物理地址访问真实的硬件。虚拟地址和物理地址的映射关系保存在页表中，MMU需要遍历页表，才能将虚拟地址转换成物理地址。ARM64现在有两种大小的页表描述符，分别是ARMv8的64-bit描述符（一个页表描述符8字节），ARMv9的128-bit描述符（一个页表描述符16字节）。本文只介绍ARMv8的64-bit描述符。
2.页表类型
如下图所示，页表描述符的bit[1:0]表示类型。ARMv8的页表有四种类型，分别是Invalid descriptor、Block descriptor、Table descriptor和Page descriptor，具体如下：
- bit[1:0] == 0b0x：表示Invalid descriptor，此时MMU若使用该页表描述符进行地址转换，会触发Translation Fault。
- bit[1:0] == 0b10：如果不是第三级页表，则为Block descriptor。如果是第三级页表，则保留，可以看作是无效的页表描述符。Block descriptor和Page descriptor类型一样，定义了访问物理内存的属性和地址，并且没有下一级页表。Block descriptor专门应用于HugePage的映射，有的情况下只需要一个页表描述符即可完成地址映射，无需多级页表，这样可以加快MMU地址转换速度。比使用48位虚拟地址和4级页表的情况下，当映射1GB内存时，只需要一个level1 Block descriptor即可.
- bit[1:0] == 0b11：如果不是第三级页表，则为Table descriptor，如果是第三级页表，则为Page descriptor。Table descriptor为中间页表，用于指向下一级页表。Page descriptor为最后一级页表，定义了访问物理内存的属性和地址。
3.页表格式
下面介绍Block descriptor、Table descriptor和Page descriptor三种页表描述符的格式。
3.1.Table descriptor
下图是不同地址宽度和不同页表大小情况下，Table descriptor的格式。我们主要关注48-bit地址位宽和4KB页表大小时Table descriptor的格式，在这种情况下m==12，下一级页表的基地址保存在bit[47:12]，下一级页表属性保存在bit[63:59]。
页表属性如下图所示。
3.2.Block descriptor
下图是不同地址宽度和不同页表大小情况下，Block descriptor的格式。当地址位宽为48-bit，页表大小为4KB时，Block descriptor只能是level1或者level2的页表，level1页表n==30，level2页表n==21，转换后的物理内存基地址保存在bit[47:n]。当地址位宽为52-bit，页表大小为4KB时，Block descriptor只能是level0、level1或者level2的页表，level0页表n==39，level1页表n==30，level2页表n==21，转换后的物理内存基地址OA[51:48]保存在bit[15:12]，其他地址保存在bit[47:n]。
Block descriptor转换的物理内存的访问属性如下图所示。
3.3.Page descriptor
下图是不同地址宽度和不同页表大小情况下，Page descriptor的格式。当地址位宽为48-bit，页表大小为4KB时，bit[47:12]定义了访问物理内存的基地址，Upper attributes和Lower attributes定义了物理内存的访问属性。
4.地址转换过程
下图展示了MMU将虚拟地址转换成物理地址的过程。
4.1.39bit-3Level-4KB
4.2.48bit-4Level-4KB
4.3.48bit-3Level-16KB
参考资料
- Arm ® Architecture Reference Manual for A-profile architecture。
- ARM® Cortex ® -A Series Programmer’s Guide for ARMv8-A。