1.背景介绍

之前有介绍过ARM32的MMU介绍，在ARMv8-A引入了64位的架构，从而也引入了64位的MMU的技术，原理是和ARM32类似的，之前分配的粒度有所区别，arm32中有支持2级页表映射，在arm64中，最大支持为4级页表映射。

2.MMU地址空间

在arm32中，可以映射的地址为2的32次方为4GB的地址空间。
在arm64中，可以映射的地址为2的64次方为16EB的地址空间（1EB=1024PB=1024*1024TB），可以看出arm64的地址空间比arm32多了好多，arm官方其实只使用了一部分，如图：

将其分为内核空间与用户空间以及保留部分：
用户空间：0x0000 0000 0000 0000-0x0000 FFFF FFFF FFFF
内核空间：0xFFFF 0000 0000 0000-0xFFFF FFFF FFFF FFFF
对于64的地址，ARMV8-A支持48或者52bit的虚拟地址，并不是所有的都支持52bit，以通常使用的48bit进行说明，其中bit[47:0]共48bit使用；bit[63:48]全部为0或者全部为1。

3.MMU的映射粒度

在学习映射之前我们先查看下MMU的映射粒度，映射粒度只是ARM将虚拟地址按照一定的方式进行划分bit而已。
下图是对ARM64的48bit的虚拟地址的对比：

Level of table	4KB granule	4KB granule	16KB granule	16KB granule	64KB granule	64KB granule
	size per entry	bits used to index	size per entry	bits used to index	size per entry	bits used to index
0	512GB	47：39	128TB	47	-	-
1	1GB	38：30	64GB	46：36	4TB	47：42
2	2MB	29：21	32MB	35：25	512MB	41：29
3	4KB	20：12	16KB	24：14	64KB	28：16

3.1 4KB映射粒度

在4k的粒度下，mmu采用L0-L3四级映射方式，每一级别使用9bit进行映射，最后一级bit[11:0]直接映射到4k的物理地址。
L0页表：页表项条目，512个（bit[47:39] 2^9 = 512）,采用9bit映射；
L1页表：页表项条目，512个（bit[38:30] 2^9 = 512）,采用9bit映射；
L2页表：页表项条目，512个（bit[29:21] 2^9 = 512）,采用9bit映射；
L3页表：页表项条目，512个（bit[20:12] 2^9 = 512）,采用9bit映射；

3.2 16KB映射粒度

在16k的粒度下，mmu采用L0-L3四级映射方式，最后一级bit[13:0]直接映射到16k的物理地址。
L0页表：页表项条目，2个（bit[47] 2^1 = 2）, 采用1bit映射；
L1页表：页表项条目，2048个（bit[46:36] 2^11= 2048）,采用11bit映射；
L2页表：页表项条目，2048个（bit[35:25] 2^11= 2048）,采用11bit映射；
L3页表：页表项条目，2048个（bit[24:14] 2^11= 2048）,采用11bit映射；

3.3 64KB映射粒度

在64k的粒度下，mmu采用L1-L3三级映射方式，最后一级bit[15:0]直接映射到64k的物理地址。
L1页表：页表项条目，64个（bit[47:42] 2^6 = 64）,采用6bit映射；
L2页表：页表项条目，8192个（bit[41:29] 2^13= 8192）,采用13bit映射；
L3页表：页表项条目，8192个（bit[28:16] 2^13= 8192）,采用13bit映射；

3.64KB的MMU映射分析

以64KB的粒度+42bit的虚拟地址进行说明分析：

1.bit[63:42] = 1，选择TTBR1作为页表的基地址；bit[63:42] = 0，选择TTBR0作为页表的基地址；
2.通过页表的基地址找到L2的页表，此时计算页表的页表项条目共8192个（bit[41:29]，2^13 = 8192），页表项的大小为64bit；
通过bit[41:29]找到L2页表中的页表项；
3.MMU检测L2页表中的页表项有效性以及读写权限校验，如果有效则进行下一步；
4.通过L2的页表项查找到L3的页表基地址；
5.bit[47:16]可以找到L2的页表中的页表项，以及找到L3的页表基地址；
6.bit[28:16]扎到L3页表中的页表项；
7.MMU检测L3页表中的页表项有效性以及读写权限校验，如果有效则进行下一步；
8.L3页表项指向64KB的页；
9.最后便实现了VA->PA的映射转换；

注意：
开始看这个图可能比较模糊，在此需要明确几个概念，
1. 页表、页表基地址、页表位宽、页表条目是什么？
这些都是页表相关的，页表基地址是物理地址，ARM64的页表位宽是64bit，
L2页表条目 = 8192个（bit[41:29]，2^13 = 8192）
L3页表条目 = 8192个（bit[28:16]，2^13 = 8192）
2.页表项、页表描述符；
页表项即页表里面的一个条目，页表描述符即ARM规定的页表项的格式，

4. 参考资料

1.Armv8-A Address Translation
2.ARM Cortex-A Series Programmer’s Guide for ARMv8-A( DEN0024A）
3.Learn the architecture - AArch64 memory management（Document ID: 101811_0102_00_en Version 1.2）

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