2021年10月26日 | ARMv7-A 处理器窥探(3) —— Memory Model

本文参考：

《ARMv7-A_and_R_Architecture_Reference_Manual》 中的 {A3.5 Memory types and attributes and the memory order model}

1、Memory Type

ARMv7-A 处理器中，将 Memory定义为几种类型（Memory Type）：

1、Strongly-ordered；

2、Normal；

3、Device；

它的定义如下所示：

注意：这里的 Memory 指的不是内存，可以翻译成储存器，是地址空间的概念；

普通的内存（RAM），只读的内存（ROM），这些都属于 Normal Type 的范畴；

外设和I/O，这些属于 Device 和 Strongly-ordered 范畴；

2、Memory Attributes

对于地址空间来说，每种地址空间，ARMv7-A 使用 attribute 来描述这个存储器地址的属性，总的属性分为两种：

1、shareability；共享属性

2、cacheability；缓存属性

它们描述了存储器是否可以共享，或者是否可以过cache；

2.1、Shareability Attributes

Shareability 共享属性用于描述存储器地址空间是否可以共享；只对 Normal Type 类型和 Device 类型有效；

2.1.1、Normal memory with Shareability

Normal Type 是比较常见的存储器模型，它可以支持读/写或只读，它可以被配置成为 Shareable 或者 Non-Shareable；

在访问 Normal 存储器的时候（比如 DDR），一定要小心内存一致性的问题，因为系统中，常常会开启 cache，并在多核系统中，存在多 CPU 核心访问内存，内存屏障能够起到访问的保序作用，原子操作指令，可以起到访问互斥（LDREX/STREX）;

对于 Normal Type 的内存属性描述如下：

当被配置成为 Non-Shareable 的时候，意味着在多核系统中，它只能被一个核心访问；

当配置为 Inner-Shareable 的时候，意味着只能够被单个 CPU cluster 集群访问；

当配置为 Outer-Shareable 的时候，意味着只能够被多个 CPU clusters 集群访问；

2.1.2、Device memory with Shareability

Device 类型存储器地址空间，可以配置为 Shareable（比如多核 CPU 中，UART 外设地址空间是对所有 CPU 共享的）；当然，也可以配置为 Non-Shareable；

但是具体实际的设计实现中，不管是配置为 Non-Shareable，还是 Inner-Shareable，还是 Outer-Shareable，都一概视为 Outer-Shareable（毕竟是外设）；

2.2、Cacheability Attributes

2.2.1、Normal memory with cacheable

Normal 类型的存储器（比如 DDR）除了有 Shareable 的属性以外，还可以携带 cacheable 的属性：

Write-Through Cacheable：写透型 Cache 属性；

Write-Back Cacheable：回写型 Cache 属性；

Non-cacheable：不带 Cache 属性；

Non-Cacheable 很好理解，就是不带 Cache，直接与存储器交互，这样不会带来内存一致性问题，但是效率不高；

其余两种都是带 Cache 的访问，不过 Cache 的策略略有区别；写透也可以在一定程度上保证内存一致性问题，但要发起内存访问时序，降低性能；回写只是将数据写到了 Cache 中，并通过 Dirty 标记等方式来记录数据的有效性，从而避免直接的内存访问，可以提高性能；

2.2.2、Device memory with cacheable

Device 和 Strongly-ordered 类型的存储器（可以理解为外设）区域，都是 Non-cacheable 的，即，不缓存的；这个很好理解，写过驱动的朋友应该都能够知道，对外设的访问和对普通内存的访问是完全不一样的两个概念；

所以，最后总结起来就是：

3、Device VS Strongly-ordered

ARMv7-A 中，Device 类型的存储器和 Strongly-ordered 类型存储器，都是不可 Cacheable 的，并且他们的访问是不可被优化的，他们的唯一区别是在 Shareability 属性：

1、对 Strongly-ordered 存储器的写入，只有在写访问到外设或者存储器组件的时候，才算完成；

2、对 Device 存储器的写入，允许在写访问到达外设之前就完成；

上面这个说法是官方的意思，我理解一下，应该是 Strongly-ordered 不惜牺牲性能，去做保序的要求，一定要实际访问到外设，而 Device 类型的访问指令，可能还在路上（流水线中）；

而且，Strongly-ordered 和 Device 类型要求，对他们的访问必须是对齐访问；

4、Access rights

存储器模型除了有各种属性以外，还需要支持访问权限（这个是必须的，否则访问非法空间，那还得了）；

ARMv7-A 定义了扩展的存储器区域访问属性，也就是这个权限访问；访问权限分为两部分：

1、基于特权等级的限制数据的访问；

2、基于特权等级的指令访问；

PL0 的时候，也就是 User 模式，相当于非特权等级下，禁止访问结构体系下的某些特性，它不能更改许多配置设置。 在PL0上执行的软件只允许非特权内存访问；

当在 PL1 上执行的软件（通常操作系统都执行在 PL1 特权模式下）可以访问体系结构的所有特性，并且可以更改这些特性的配置设置；

值得注意的是，fa权限的配置以及更改，只能够在 PL1 模式下进行；

4.1、Privilege level access controls for data accesses

针对数据的访问来说，在 PL1 模式下，可以定义某存储器区域的访问权限为：

1、不可访问；

2、只有 PL1 特权才能访问；

3、特权和非特权模式都可以访问；

如果处理器尝试访问权限不允许的数据访问，则会生成数据中止异常（Data Abort）。 例如，如果处理器位于 PL0，并且试图访问被标记为仅特权模式可访问的内存区域，则会生成数据中止异常 Data Abort；

4.2、Privilege level access controls for instruction accesses

针对指令的执行来说，PL1 模式下，以定义某存储器区域的执行权限为：

1、不允许执行；

2、在处理器实现了 Large Physical Address Extension 情况下，PL1 不允许执行；

3、只能在 PL1 执行；

4、特权和非特权模式都可以执行；

访问权限的配置，在 CP15 的 MMU 相关的寄存器，他们的层次结构为：