D4.1.1 AArch64 下的地址标签 (Address Tagging)

英文版

在 AArch64 运行态下，ARMv8 架构支持虚拟地址标签 (Address Tagging) 功能。在启用了虚拟地址标签时，虚拟地址的高 8 个比特将作为标签 (tag) 使用，同时在下列的几个处理过程，高 8 比特将被忽略：

• 当地址转换使能时，判定虚拟地址是否超出范围，并产生 Translation fault。
• 当地址转换未使能时，判定虚拟地址是否超出范围，并产生 Address size fault。
• 当进行 TLB 设置指定地址的条目失效操作时。

(译者注：VA 的 tag 通常是在软件层面使用，例如用来作为对象的引用计数、标示指针的有效与否等。参考资料：Tagged_pointer)

Address tagging 功能通过以下的方式来配置：

对于使用 VMSAv8-64 EL1&0 translation regime 的地址

在 EL1&0 下，VMSAv8-64 支持两个区块的虚拟地址空间，分别为：VA 高 16 位全为 0 的区块和 VA 高 16 位全为 1 的区块， 不同区块的的 address tagging 功能的配置由不同的寄存器负责：

（译者注：TCR for Translation Control Register，TBI for Top Byte Ignore，TTBR for Translation Table Base Register）

对于使用 VMSAv8-64 EL2 translation regime 的地址

如果使能了 stage 1 的转换，那么 TCR_EL2.TBI 控制是否启用 address tagging 功能， 寄存器 TTBR0_EL2 保存地址转换表的基地址。

对于使用 VMSAv8-64 EL3 translation regime 的地址

如果使能了 stage 1 的转换，那么 TCR_EL3.TBI 控制是否启用 address tagging 功能， 寄存器 TTBR0_EL3 保存地址转换表的基地址。

NOTE:
不管对应的 translation regime 是否使能，寄存器位 TCR_ELx.TBIn 都决定着 address tagging 功能是否启用.

开启 address tagging 功能后，由于 VA 的高 8 位被用作为 tag，因此在下列需要更新 PC 寄存器的场景中，需要对写入 PC 的值做特殊的处理：

• 开启了 address tagging 功能的 Exception level 下的所有的 branch 和 procedure return 操作。
• 通过 exception 陷入到开启了 address tagging 功能的 Exception level 时。
• exception 返回到开启了 address tagging 功能的 Exception level 时.
• 从 debug 状态退出，并返回到开启了 address tagging 功能的 Exception level 时。

NOTE:

下面以 Exception level 2 为例, 在设置 TCR_EL2.TBI 使能了 address tagging 功能后，在下面的场景中，需要对写入 PC 寄存器的值做特殊的处理:

• EL2 中发生的 branch 和 procedure return.
• 发生 exception 陷入到 EL2.
• 从 exception 或者 debug 状态退出，并返回到 EL2.

在不同的 EL 中使能 address tagging 功能后，在上述场景中更新 PC 寄存器的值时，需要的对写入 PC 寄存器的值所做的特殊处理如下表所示：

下面的伪代码算法描述了 address tagging 的开启与否，是如何影响 VA 的 MSB 的计算的。在 EL1&0 translation regime 中，下面的算法适用于从 TTBR0_EL1 寄存器所设定的地址开始，到 TTBR1_EL1 寄存器所设定的地址结束的所有 VA。

// AddrTop()
// =========
integer AddrTop(bits(64) address)
    // Return the MSB number of a virtual address in the current stage 1 translation
    // regime. If EL1 is using AArch64 then addresses from EL0 using AArch32
    // are zero-extended to 64 bits.
    if UsingAArch32() && !(PSTATE.EL == EL0 && !ELUsingAArch32(EL1)) then
        // AArch32 translation regime.
        return 31;
    else
        // AArch64 translation regime.
        case PSTATE.EL of
        when EL0, EL1
            tbi = if address<55> == '1' then TCR_EL1.TBI1 else TCR_EL1.TBI0;
        when EL2
            tbi = TCR_EL2.TBI;
        when EL3
            tbi = TCR_EL3.TBI;
        return (if tbi == '1' then 55 else 63);

NOTE

The required behavior prevents a tagged address being propagated to the program counter.

Address tagging 使能后，软件可以使用 VA 的高 8 位来保存额外的信息，但是软件需要保证在直接操作保存有 tag 信息的 VA 时，VA 的高 8 位没有被错误的更改。另外，当发生 Data Abort 和 Watchpoint 时，tag 信息会和 VA 一起被保存到 FAR ( Fault Address Register )。

Relaxation of the tagged address handling requirements on an Illegal exception return

The AddrTop() pseudocode function, and the pseudocode description of exception return, does not cover a relaxation to the requirements for tagged address handling that applies to an Illegal exception return. (TODO：此处不是很明白所表达的意思，是想说明 Illegal exception return 中对 tagged address 的处理有不同的方式么？)

下面的伪代码算法描述了当跳转到带有 tag 信息的 VA 执行时，是如何保证 VA 的 tag 信息不会被加载到 PC 寄存器中的：

if (target_exception_level == EL0) || (target_exception_level == EL1) then
    if NewAddress<55> == '1' && TCR_EL1.TBI1== '1' then
        NewAddress<63:56> = '11111111';
    if NewAddress<55> == '0' && TCR_EL1.TBI0== '1' then
        NewAddress<63:56> = '00000000';
if (target_exception_level == EL2) then
    if TCR_EL2.TBI== '1' then
        NewAddress<63:56> = '00000000';
if (target_exception_level == EL3) then
    if TCR_EL3.TBI== '1' then
        NewAddress<63:56> = '00000000';
PC = NewAddress;

在上面的伪代码中：

NewAddress：指的是跳转到的目的 VA，或者调用返回时的目的 VA。

target_exception_level：则可能有以下几种情况：

• branch 或者 procedure return 所在的 Exception level
• exception return 所要返回的 Exception level。
  如果在 exception return 时触发了 Illegal exception return 机制，那么 target_exception_level 可能是 exception return 时 SPSR 寄存器所指示的 Exception level，也可能是 exception return 执行时所在的 Exception level，选择哪一个由具体实现决定。
• exception entry 所要进入的 Exception level。

NOTE:

• 不管 translation regime 是否使能，寄存器 TCR_ELx 的 TBIx 位都会参与上面伪代码的算法处理过程。

• 在 Illegal exception return 中, 如果下面的几个条件都符合，那么 VA 的 tag bits 会被加载到 PC 寄存器中:

  • 在具体的实现中，exception return 时的 target_exception_level 被实现为 SPSR 寄存器所指示的 Exception level
  • exception return 时的 SPSR 寄存器所指示的 Exception level 中的 TCR_ELx.TBI 被设定为 0。
  • 产生该 exception 的 Exception level 中的 TCR_ELx.TBI 被设定为 1.
    (译者注：即从一个使能了address tagging 的 EL 发生 exception 陷入的到另一个没有使能 address tagging 的 EL 时，在该 exception 返回时，会出现 带有 tag bits 的 VA 从 ELR 寄存器加载到 PC 寄存器的情况。)
    在其他的场景下，VA 的 tag bits 都不会被加载到 PC 寄存器中。