ARMv8架構介紹

ARMv8架構有一個重要的特點是他與其之前的架構相容。

Execution state

• AArch64 : 64-bit Execution state
  • 提供 31組 64-bit 的通用暫存器
  • 提供 64-bit Program Counter(PC), Stack-Poiner (SP )與 Exception-Link-Register (ELR)
  • 定義最多四種 (EL0 - EL3) 特權模式
  • 支援 64-bit 虛擬地址
  • 定義一組 PSTATE 來保存 PE state
  • 沒有協處理器的觀念
• AArch32 : 32-bit Execution state
  • 提供 16組 32-bit 的通用暫存器
  • 提供 1組 ELR，作為從 Hyp-Mode 的 Exception 返回之用
  • 提供 A32 (相容ARMv7 ARM) 與 T32 (相容 ARMv7 Thumb) 兩種指令集
  • 使用 32-bit 虛擬地址
  • 使用單一的 CPSR 來保存 PE state
  • AArch32 只支援 CP10, CP11, CP14, and CP15

在 A32 與 T32 中做切換只要透過BX即可，但要在 AArch32 與 AArch64 間做切換只能透過 Exception

(圖片來自loda大大的blog)

AArch64 指令集 (instruction set) 介紹

ARMv8-A_Architecture_Reference_Manual P.111

系統層級架構 (System Level Architecture)

ARMv8-A_Architecture_Reference_Manual P.1405

例外層級 (Exception levels)

ARMv8-A_Architecture_Reference_Manual P.1408

• ARMv8-A架構定義了四個例外層級，分別為EL0到EL3，其中數字越大代表特權(privilege)越大。

  • EL0: 無特權模式(unprivileged)
  • EL1: 作業系統核心模式(OS kernel mode)
  • EL2: 虛擬機器監視器模式(Hypervisor mode)
  • EL3: TrustZone® monitor mode

• 要提升到較高層級需要透過exceptions(如: 中斷、page faults等)。

  • EL0 => EL1: SVC (system call)
  • EL1 => EL2: HVC (hypervisor call)
  • EL2 => EL3: SMC (secure monitor call)

• 在轉換時會將返回位址(return address)紀錄在例外連結暫存器ELR(Exception-Link-Register)。

• 每個EL會有個別的SP(stack pointer)

• 根據目前架構，由下層系統的Execution State決定上層系統所在模式

• 若下層系統為32bits則上層只能為32bits，反之若為64bits則上層可為32bits or 64bits

安全性狀態 (Security state)

ARMv8-A架構提供兩種安全性狀態，他們有個別的實體記憶體定址空間(Secure physical address space)。

• 安全狀態(Secure state): PE可以存取安全及不安全的實體定址空間，有EL0.EL1.EL3

• 不安全狀態(Non-Secure state): 只能存取不安全的實體定址空間，有EL0.EL1.EL2

Extension.png (from: Hardware Support Virtualization (國立清華大學))

虛擬化 (Virtualization)

這邊提到的虛擬化為有實現EL2架構的系統。以下為其基礎模型: (manual D1.5 Virtualization)

• 一個跑在EL2的Hypervisor負責切換跑在EL1、EL0的virtual machines
• 一些跑在virtual machines上(在EL1中)的Guest OS
• 每個Guest OS上跑在EL0的應用程式

每個VM會被Hypervisor指定一個VMID。

EL2只會實現在 Non-secure state，並負責:

• 提供虛擬值給少數特定的暫存器(1)。Guset OS 或其上的應用程式讀取這些暫存器時會得到虛擬的值。
• Trapping: 當在做記憶體管理及存取其他大多數的暫存器((1)之外的)時會產生exception並由EL2處理。
• Routing interrupt: 將中斷分配給
  • 現在的Guest OS
  • 現在沒在執行的Guest OS
  • hypervisor
  (以上會在個別的章節特別探討)

實現EL2包含以下實作:

• Hypervisor Call (HVC) exception
• Traps to EL2
• 虛擬中斷:
  • 包括:
    • Virtual SError
    • Virtual IRQ
    • Virtual FIQ
  • 所有虛擬中斷會由EL1處理
  • 每個虛擬中斷可由EL2個別啟用
  • 每個虛擬中斷都會有其對應的實體中斷
  • 當一個虛擬中斷被啟用時，其對應的實體中斷會由EL2處理(除非EL3指定他要處理)

指令與例外處理暫存器 (Registers for instruction processing and exception handling)

通用暫存器

31 個通用暫存器R0-R30。可以作為64-bit暫存器X0-X30或是 31個 32-bit暫存器W0-W30來被存取。

CPSR

• 與 armv7 的比較 (可參考 loda armv8-與-linux的新手筆記 ，以下圖片有些來自此網站)

- aarch32 多了Bit 20:IL (Illegal Execution State bit)
- aarch64 多了Bit 9:E 被 D取代，並少了 IT，GE 
- M(mode): 現在處理器運行的模式
    - M[4]: 0表示現在是AArch64，1則表示現在是在AArch32 
    - M[3:0]: Current processor mode
        - 再AArch32下mode與Armv7下的表示相同，在AArch64下則如下圖所示:

        ![](/embedded/CPSR_mode.png)

    - IT[7:2], bits [15:10] 與 IT[1:0] (AArch32), bits [26:25]: T32 IT (If-Then) instruction

Process state PSTATE

SP暫存器 (stack pointer registers)

• 每個例外層級都有專用的SP: SP_EL0 ~ SP_EL3 (SP_EL2、SP_EL3只有在有實現該層的架構時才會存在)
• 例外(exception)發生時，預設會使用例外目標層級的SP_ELx (例如例外目標為EL1就會選用SP_EL1)
• 也可透過更新PSTATE.SP.選用SP_EL0
  • SPSel, Stack Pointer Select SP, bit [0]
  • 0 Use SP_EL0 at all exception levels.
  • 1 Use SP_ELx for exception level ELx.
  • 用msr、mrs來存取
• 可以透過t(SP_EL0)、h(SP_ELx)的後綴表明SP的例外層級

• SPSel, Stack Pointer Select: 可以透過MSR, MRS存取來設定要用哪個SP
  • SP, bit [0]:Stack pointer to use.
    • 0 Use SP_EL0 at all exception levels.
    • 1 Use SP_ELx for exception level ELx.

SIMD 與浮點暫存器

• 共用32個128位暫存器V0-V31
• 可作為以下來存取
  • 32 doubleword (64-bit) registers, D0-D31.
  • 32 word (32-bit) registers, S0-S31.
  • 32 halfword (16-bit) registers, H0-H31.
  • 32 byte (8-bit) registers, B0-B31.

程式狀態儲存暫存器SPSRs (Saved Program Status Registers)

• 在例外發生時用來儲存PE的狀態
• 在AArch64中，每個例外層級都有一個SPSR: SPSR_EL1 ~ SPSR_EL3
• 在例外發生時，會把PE的狀態存在目標層級的SPSR中
• 當從例外返回時，PE的狀態會從SPSR中載入

(請對照 P.1418)

例外連結暫存器ELRs (Exception Link Registers)

• 保存例外返回的位置
• 例如: 當例外目標為EL1時，返回的位置會存在ELR_EL1中
• 從例外返回時，會載入ELR的位只到PC中
• 當例外是從 AArch32 到AArch64 時 ELR bits[63:32]被設為0。

Syndrome Register

• 保存觸發exection的原因(可用來作instruction emulation，請對照 xvisor-instruction-emulate服用)

• e.g. 

  • esr_el2

- ec 編碼(節錄，請對照manual D8.2.25 ESR_EL2, Exception Syndrome Register (EL2) 章節):

虛擬記憶體系統架構 (Virtual Memory System Architecture)

ARMv8-A_Architecture_Reference_Manual P.1707

概述

Virtual Memory System Architecture簡稱VMSA。 VMSA有記憶體管理單元(MMU)來負責控制地址轉換(address translation)。

地址轉換在不同例外層級與安全狀態之間是獨立的。

• 虛擬地址Virtual Address (VA)
  • instruction 使用的地址(PC, LR, ELR, SP 保存的地址)
  • 最大為48 bits
  • EL1&0 的VA範圍分為兩個子範圍。 0x0000_0000_0000_0000 ~ 0x0000_FFFF_FFFF_FFFF 及 0xFFFF_0000_0000_0000 ~ 0xFFFF_FFFF_FFFF_FFFF。
• 中間實體地址Intermediate Physical Address (IPA)
  • 當提供二階地址轉換時，作為第一階的輸出，第二階的輸入。
  • 當只提供一階地址轉換時，IPA即為PA
  • 最大為48 bits
• 實體地址Physical Address (PA)
  • 在實體記憶體MAP中的位址
  • EL3 和 Secure EL1 例外層及提供獨立的Secure、Non-secure實體定址空間。
    • Secure state存取VA可以被轉換成Secure或Non-secure的實體定址空間
    • Non-secure state時虛擬地址只能對應到Non-secure state的實體定址空間
• 地址轉換:

  • Translation table base register (TTBR) 指向translation table的起始位置。

    • EL1&0 stage 1 translation 需要兩個translation table，一個是對低位址定址空間，一個是對高位址。

    

  • stackoverflow

  • TLB 可以cache Translation table entries

地址轉換階級控制 (Controlling address translation stages)

• 不同的implementation，translation stages的實作也會不同

• 對每個地址轉換階級:
  • A system control register(CR) bit 啟用該層地址轉換
  • A CR bit 決定轉換表查找的 endianness
  • Translation Control Register (TCR)控制該層地址轉換
  • 若該層VA支援分開的VA 範圍(EL0、EL1)，則提供 Translation Table Base Register (TTBR)給每個子範圍。即:
    • 一個TCR
    • 一個TTBR給每個VA子範圍
  • TTBR保存查找所需的base address
• MMU相應的系統控制暫存器

• stage 2 translation 是ARM 對記憶體虛擬化的擴展。 虛擬化必須讓Guest OS不能存取hypervisor的記憶體空間。在沒有虛擬化擴展的情況下，是透過“shadow page tables”來完成這個要求。

  • Shadow page tables: hypervisor 建立屬於自己的page table，當他發現有page fault時，會讀取OS所建立的page table及OS map的地址，再實際map到MMU使用的page table，因此只有hypervisor實際能把VA轉換成PA。缺點是複雜及耗能。

  • With ARM Virtualization extensions: 將上面的動作交給硬體來做，hypervisor讓硬體認為guest OS產生的實體地址為虛擬地址，然後再以此地址(IPA)做第二階translation。

(圖片來自http://www.futurechips.org/understanding-chips/arm-virtualization-part-2-memory-interrupts.html)

記憶體轉換顆粒大小(Memory translation granule size) (暫譯)

• 定義了:
  • 單一轉換表的最大大小
  • page size
• VMSAv8-64支援4KB, 16KB, and 64KB的translation granule sizes

• granule size決定了page及一次查找可以轉換的bit數

Translation table walks

• 從讀取轉換表開始，TTBR會保存該階級的base address
• 每次查找會返回一個descriptor標明以下其中一個情況:
  • 該entry是walk的最後一個entry。此entry包含該次存取的OA、權限及屬性。
  • 需要額外層級的查找。 此entry包含該層級查找的translation table base address。
    • descriptor提供final translation的 hierarchical attributes
  • invalid: Translation fault

地址轉換流程:

• stage 1 translation table walk for a 48-bit input address 與 39-bit input address

通用計時器 (The Generic Timer)

ARMv8-A_Architecture_Reference_Manual P.1855

• 提供系統計數器來測量時間 (in real-time)
• 支援虛擬計數器來測量在特定虛擬機器上虛擬時間(virtual-time)
• Timer, 它可以用在週期時間之後觸發event
  • 可用來當count-up或者 count-down timers
  • 可在real-time或者virtual-time上做操作

系統計數器 (System counter)

• Width: 至少56-bits
• Frequency: 1-50MHz，支援多個可選擇的運作模式，如在低頻率下一次增加較多的數量，通常用來省電(power-saving)。
• Roll-over: 大於40年
• Accuracy: ARM沒有指定要求精度，但建議誤差不要超過10秒/24小時
• Start-up: 從0開始
• 它必須被實作在一個always-on power domain
• 初始化: 必須在系統booting時設定其頻率，可以寫入CNTFRQ 暫存器來做設定。

實體計數器 (physical counter)

PE有一個實體計數器包含系統計數器的count. (保存在CNTPCT暫存器中)

• CNTPCT:
  • Secure EL1 modes及Non-secure Hyp mode隨時可以存取
  • Non-secure EL1 mode CNTHCTL.EL1PCTEN 被設為1時才能存取，否則會被trap到Hyp
  • 另外，當CNTKCTL.EL0PCTEN 被設為1時，在當下的安全性狀態的EL0、EL1就可以存取
  • CNTKCTL 比 CNTHCTL有較高的優先權

虛擬計數器 (virtual counter)

• CNTVCT 暫存器保存現在的虛擬計數器count
• virtual counter = physical counter - 64-bit virtual offset.
• 當執行在Non-secure EL1 or EL0時, virtual offset值相對目前的virtual machine

Reference

• ARMv8-A_Architecture_Reference_Manual_(Issue_A.a) (需登入)
• ARMv8 與 Linux 的新手筆記
• Linux on ARM 64-bit Architecture
• Principles of ARM® Memory Maps
• ARM Virtualization Extensions – Memory and Interrupts
• Porting to 64-bit ARM
• Hardware Support Virtualization (國立清華大學)