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[原创] ARM64内存管理都有什么

lemonboard 2023-12-10 06:37 楼主

有幸参加《奔跑吧！Linux内核》的读书活动。我是潜水多年的一名电子工程师。拿到这本书有些时间了，坦白讲，书挺厚的，阅读的压力蛮大的。今天是第一篇，我给大家分享的主题是内存管理的预备知识。“ARM64内存管理都有什么?”
在移动端，嵌入式领域，以ARM公司为内核的处理器占了绝对的地位，本书也是选用ARM64为硬件内核进行讲解。
**内存框图**
ARM64的内存管理框图如下图所示：

<a href="/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=1266301&aid=761757&from=album&page=1" class="orange"><img id="aimg_761757" src="https://12.eewimg.cn/bbs/data/attachment/forum/202312/10/063526c34grd342mq44t0z.png.thumb.jpg" alt="eeworld_09.png" title="eeworld_09.png" style="display:block; margin:0 auto;" /></a>

箭头方向也代表了内存对页查询的操作方向。包括了：MMU，高速缓存，主存储器中的页表。其中，MMU还包括TLB与页表遍历单元。本次文中提到的内存管理指系统软件层面的实现方案，因此主存中仅包括了“页表”部分，其余硬件部分由硬件控制则省略了。
**页表**
由于操作系统的架构实现下，存在虚拟地址（VA）与物理地址（PA）之分，页表则也会设计成这种对应关系。这里要注意一下 ，ARMv8架构还支持4KB，16KB，64KB这3种页面颗粒度。
**页表映射**
在AARM64架构中，地址总线有最多48位，且被划分为两个空间，每个空间最多256TB的寻址范围。两个空间使用寄存器TTBR0和TTBR1来存放基地址。
P.S.为什么是48位，而不是64位？书中也谈到了，主要还是成本！48根线就够乱了，64根岂不是……再看48位寻址范围256TB也够用了。

<a href="/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=1266301&aid=761731&from=album&page=1" class="orange"><img id="aimg_761731" src="https://12.eewimg.cn/bbs/data/attachment/forum/202312/10/063359mt7btg66bwkx5422.png.thumb.jpg" alt="eeworld_08.png" title="eeworld_08.png" style="display:block; margin:0 auto;" /></a>

上面这张图是地址映射在Aarch64架构下的映射，在Linux内核中页表也是相似的。
作者在QEMU虚拟机吗，ARM64架构的Linux5.0内核的内存分布。
我们再总结一下内存分布：

<a href="/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=1266301&aid=762088&from=album&page=1" class="orange"><img id="aimg_762088" src="https://12.eewimg.cn/bbs/data/attachment/forum/202312/11/092408pk1cc3bl13bla5s7.png.thumb.jpg" alt="奔跑吧Linux第二章-第 2 页.drawio.png" title="奔跑吧Linux第二章-第 2 页.drawio.png" style="display:block; margin:0 auto;" /></a>

**高速缓存管理**
ARM64指令集提供了对高速缓存进行管理的指令，包括管理无效高速缓存和清除高速缓存的指令。
ARMv8架构中最多可以支持L1-L7高速缓存。将从以下角度观察内存：
- 全局缓存一致性角度。这个观察点就是L2高速缓存，因为两个处理器都可以在L2高速缓存中看到相同的副本。
- 处理器缓存一致性角度。这个观察点就是DDR4内存，因为CPU和GPU都能共同访问DDR4内存。

**TLB管理**
TLB是高速缓存的一种，把虚拟地址到物理地址翻译的结果存储在TLB表项中。我也支持其称为快表，当处理器需要访问内存时首先从TLB中查询是否有对应的表项，当TLB命中时，处理器就不需要到MMU中查询页表了。
<span class="showedittime"><i class="pstatus"> 本帖最后由 lemonboard 于 2023-12-11 09:24 编辑 </i></span>

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回复评论（4）

沙发 freebsder

映射映射映射

默认摸鱼，再摸鱼。2022、9、28

点赞 2023-12-13 19:37

板凳 lemonboard

引用: freebsder 发表于 2023-12-13 19:37 映射映射映射

大佬，您这么一总结！

这章的内容的关键就出来了

点赞 2023-12-14 09:27

4楼 lelee007

ARM的系统控制寄存器太多了，虽然灵活，但是一些问题对不熟的工程师来讲就是疑难杂症。

点赞 2023-12-16 16:28

5楼 lemonboard

引用: lelee007 发表于 2023-12-16 16:28 ARM的系统控制寄存器太多了，虽然灵活，但是一些问题对不熟的工程师来讲就是疑难杂症。

总得有人要看嘛！

要么是芯片硬件设计人员，要么是软件驱动人员！

点赞 2023-12-16 22:26

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