这篇笔记主要记录ARMv8 MMU的学习，学习资料主要是下面两个文档：
Armv8-A Address TranslationARM Cortex-A Series Programmer's Guide for ARMv8-A
Armv8-A Address Translation中的内容都来自于ARM Cortex-A Series Programmer's Guide for ARMv8-A，但它把后者不同章节的相关内容放在了一起，因此免去了查找不同章节内容的痛苦。相比于后者，我会更多地使用前者中的内容。注意，ARMv8有多个Exception/Excution/Security Level，但这篇笔记只关注NS + EL1 + AArch64的组合。
MMU的基本功能
MMU的功能就是实现VA->PA的地址转换，我们会创建一系列的映射表来实现这个功能。至于为什么要用虚拟地址我就不解释了，网上随便搜搜就能找到一大堆的资料。 下图显示了从CPU开始，虚拟地址是如何进行转换并被使用的，这里除了涉及MMU外，还有TLB以及各级的Cache。TLB也是一种特殊的Cache，我就不在这里多介绍了，以后专门开个系列介绍Cache吧。
上图显示的是VA->PA在架构层面如何实现的，下图显示的是地址空间如何进行VA->PA的转换。我们可以看出，不同区域的虚拟地址可以映射到同一区域的物理空间，同一区域的虚拟地址也可以映射到不同区域的物理空间。
除了地址的映射，MMU还有一个重要的作用就是修改各个内存空间的权限、Cache策略等等。
MMU相关的两个重要寄存器
TTBRx
虽然ARMv8支持64bit的地址空间，但实际上最多只可以使用48bit的地址空间。[63 : 48]这16位是不会作为地址被使用的。在绝大多数情况下，这16位要么是0xFFFF要么是0x0000，因此64bit的地址空间被分成了3部分 - user space, kernel space和reserved。如果[63 : 48] = 0xFFFF，那么它对应的虚拟地址将使用TTBR1_ELx来寻找最低一级页表；如果[63 : 48] = 0x0000，那么它对应的虚拟地址将使用TTBR0_ELx来寻找最低一级的页表。
TTBRx存的就是最低一级页表的物理地址。除了EL1，这个寄存器也有EL2和EL3的版本。TTBR1只有EL0和EL1，其它两种ELx只能使用TTBR0。
TCR_ELx
这个寄存器是设置页表的一个重要的寄存器（它将控制所有级别的页表），它可以设置有效虚拟地址的位数（除了48bit外，还有42bit，39bit等），颗粒度（granule）的大小（4/16/64KB）等等。
上图中，TxSZ决定64 - 有效虚拟地址的位数, TGx决定转换颗粒度的大小, IRGN/ORGN设置页表的cacheability, SH设置页表的shareability等。总之，这个寄存器主要是对页表进行设置。
VA->PA转换的实例以及页表的相关属性
下图是一个2级页表、granule = 64KB、有效虚拟地址位 = 42的例子，我们来看看有哪些需要注意的地方。
TTBRx和页表中保存的页表地址都是物理地址；- 虚拟地址的最高位决定是去
TTBR0还是TTBR1寻找页表； - 页表entry的数量 = granule size / 8B = 64KB / 8B = 8K(在这个例子中，页的大小是64KB，页的大小也可能是其它值)；
- 物理地址的位数可以和虚拟地址的位数不一样 - VA = 42bit，PA = 48bit，PA的大小由
TCR_ELx中的IPS决定。
关于地址转换的例子和 Linux 中页表的定义可以参考【原创】（一）ARMv8 MMU及Linux页表映射。
页表描述符
这篇笔记讨论的描述符都是基于这种格式 - Armv8-A AArch64 Long Descriptor format，一共有3类有效的描述符，请看下图：
- 指向页表的描述符；
- block entry的描述符 - block简单来说就是人为的合并/简化高级的页表，在Linux开启MMU前创建的临时页表用了block；
- table entry的描述符 - 可以理解成PTE。
注意，页表中存储的地址都是物理地址，不管是页表的地址还是最后映射的地址，都是物理地址。MMU的硬件会处理好这些物理地址。
在上图中，描述符都有attributes的位，下图显示了这些位的具体定义。要看完整的描述符的定义，还需要看Arm Architecture Reference Manual，具体内容请参考 - D8.3 Translation table descriptor formats。
其中的Index是MAIR_ELn的索引，用于确定Cache policies，其它主要用于设置access permission, shareability等等。
Granule对页表的影响
页表的结构主要受两个因素的影响 -
- 虚拟地址的位数
- granule的值
我们下面看看VA = 48bit, granule = 4KB的一个例子：
下面我简单介绍下这个结构是如何构成的，
granule = 4KB，这个决定了最后一部分是VA[11:0] = 12bit；- 因为
granule = 4KB，所以每个页表的大小是4KB。每个页表描述符是64bit，因此有512个entry，需要9bit； - 如果
VA只有39bit，那么我们就直接忽略第0级页表，直接从第1级页表开始；
页表的属性
在页表描述符中，我们可以对不同区域的内存进行cache, memory, access等属性的设置。这些设置都具有继承性，因此，在低级页表描述符中设置的参数会覆盖之后几级设置的参数。因为Lower attributes只在最后一级页表出现，因此它设置的属性其实是不会被覆盖的。除了页表映射的内存空间，我们也可以设置页表本身的属性。比如，页表是否cacheable，是否shareable等等，这些都是通过TCR_EL1进行设置 - IRGN/ORGN, SH0/1。注意，我们设置页表的cache/memory等属性，必须和其所在的内存空间的属性一样。
到这里，MMU的基础知识基本就介绍完了。还有一些知识点，比如TLB, Cache以及不同EL的映射我就不介绍了。前两部分我会专门开一个Cache相关的专题进行介绍，至于不同EL的映射，就暂时先放一放吧，把精力投入到Linux内核上去。
参考资料
Armv8-A Address TranslationARM Cortex-A Series Programmer's Guide for ARMv8-A- 【原创】（一）ARMv8 MMU及Linux页表映射