MAIR_EL1 简介 - 技术栈

MAIR_EL1 是 ARMv8 架构内存管理的核心，它通过一个索引机制来定义内存的"性格"。简单来说，页表项通过一个3位索引（AttrIndx）来引用 MAIR_EL1 中预先定义好的8种内存属性之一，从而避免了在每个页表项中都重复描述这些复杂的属性。

寄存器结构

MAIR_EL1 是一个 64位 寄存器，它被均匀地划分为 8个字段 ，每个字段宽度为 8位，用于定义一种内存属性。

assembly

复制代码

MAIR_EL1 的位域分布如下（63-0 位）:

+---------------+---------------+-----+---------------+
| Attr7 (63-56) | Attr6 (55-48) | ... | Attr0 (7-0)   |
+---------------+---------------+-----+---------------+

字段索引 (n): 8个字段的索引从0到7。
选择机制 : 页表描述符的 bit[4:2] (即 AttrIndx 字段) 用于选择 Attr<n>。例如，若页表项的 AttrIndx 为 0b001，则 CPU 会使用 MAIR_EL1 中 Attr1 字段的值。

支持的属性值

ARMv8 架构将内存主要分为两大类：设备内存 (Device Memory) 和 普通内存 (Normal Memory) 。MAIR_EL1 的每个8位字段必须填入符合特定编码规则的值。

1. 设备内存 (Device Memory)

编码格式 : 0b0000dd00 (8位)
属性说明: 用于映射外设地址空间（如UART、GPIO），其访问行为是严格受控的，通常不可缓存。
dd 编码详解:

二进制	类型	行为说明
`0b00`	Device-nGnRnE	最强限制：不允许聚合（Gathering）、不允许重排序（Re-ordering）、不提前写应答（Early Write Acknowledge）。这是最安全的设备内存配置，适用于UART等敏感外设。
`0b01`	Device-nGnRE	允许提前写应答，但不允许聚合和重排序。
`0b10`	Device-GRE	允许聚合、重排序和提前写应答，性能更高，但需设备支持。

2. 普通内存 (Normal Memory)

编码格式 : 0booooiiii (8位)
属性说明: 用于映射RAM等常规内存。CPU可对其进行缓存、预取和乱序执行以提升性能。
编码详解:
- oooo (Outer) 和 iiii (Inner): 分别控制外部和内部共享域（如多核集群内/间）的缓存策略。
- RW 编码 : 表内 RW 字段共同决定策略:

二进制 (`oooo` 或 `iiii`)	策略
`0b0000`	Non-cacheable (不可缓存)
`0b0001`	Write-Through (写透)
`0b0010`	Write-Back, Write-Allocate (回写，写分配)
`0b0011`	Write-Back, no Write-Allocate (回写，非写分配)

Linux 内核的配置参考

Linux 内核中预定义了几种常用的内存类型和对应的 MAIR_EL1 编码，可以直接参考使用。

属性名	描述	MAIR_EL1 编码值 (8位)
MT_DEVICE_nGnRnE	强限制设备内存，用于 UART 等	`0b00000000` (`0x00`)
MT_DEVICE_nGnRE	允许提前应答的设备内存	`0b00000100` (`0x04`)
MT_DEVICE_GRE	允许聚合和重排序的设备内存	`0b00001000` (`0x08`)
MT_NORMAL_NC	普通内存，不可缓存	`0b01000100` (`0x44`)
MT_NORMAL	普通内存，回写、写分配	`0b11111111` (`0xFF`)
MT_NORMAL_WT	普通内存，写透	`0b10101010` (`0xAA`)

使用示例

假设需要配置一个支持回写的普通内存（索引0）和一个严格的设备内存（索引1），代码片段如下：

复制代码

// 定义宏
#define NORMAL_MEM_ATTR  0xFF  // 用于索引 0
#define DEVICE_MEM_ATTR  0x00  // 用于索引 1

// 组装 MAIR_EL1 的值
unsigned long mair_val = (unsigned long)DEVICE_MEM_ATTR << 8 | NORMAL_MEM_ATTR;

// 写入寄存器
__asm__ volatile("msr mair_el1, %0" : : "r" (mair_val));
__asm__ volatile("isb"); // 确保配置生效

在页表项中，设置 AttrIndx 字段（bit[4:2]）为 0b000 即选择普通内存，为 0b001 则选择设备内存。

配置的关键步骤

计算并写入 : 根据需求计算出64位值，通过 MSR MAIR_EL1, Xn 写入。
刷新 TLB : 修改后必须刷新TLB，确保旧属性被清除，使新配置生效。使用 TLBI * 和 DSB/ISB 指令。
使能 MMU : 确保 MMU 已使能 (SCTLR_EL1.M = 1)。
与页表协同 : 页表项中的 AttrIndx 必须与 MAIR_EL1 中的索引配置相匹配