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Translator: Bailu Lin <bailu.lin@vivo.com>

            Hu Haowen <src.res@email.cn>

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AArch64 Linux 中擴展的活動監控單元

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作者: Ionela Voinescu <ionela.voinescu@arm.com>

日期: 2019-09-10

本文檔簡要描述了 AArch64 Linux 支持的活動監控單元的規範。

架構總述

--------

活動監控是 ARMv8.4 CPU 架構引入的一個可選擴展特性。

活動監控單元(在每個 CPU 中實現)爲系統管理提供了性能計數器。既可以通

過系統寄存器的方式訪問計數器，同時也支持外部內存映射的方式訪問計數器。

AMUv1 架構實現了一個由4個固定的64位事件計數器組成的計數器組。

  - CPU 周期計數器：同 CPU 的頻率增長

  - 常量計數器：同固定的系統時鐘頻率增長

  - 淘汰指令計數器: 同每次架構指令執行增長

  - 內存停頓周期計數器：計算由在時鐘域內的最後一級緩存中未命中而引起

    的指令調度停頓周期數

當處於 WFI 或者 WFE 狀態時，計數器不會增長。

AMU 架構提供了一個高達16位的事件計數器空間，未來新的 AMU 版本中可能

用它來實現新增的事件計數器。

另外，AMUv1 實現了一個多達16個64位輔助事件計數器的計數器組。

冷復位時所有的計數器會清零。

基本支持

--------

內核可以安全地運行在支持 AMU 和不支持 AMU 的 CPU 組合中。

因此，當配置 CONFIG_ARM64_AMU_EXTN 後我們無條件使能後續

(secondary or hotplugged) CPU 檢測和使用這個特性。

當在 CPU 上檢測到該特性時，我們會標記爲特性可用但是不能保證計數器的功能，

僅表明有擴展屬性。

固件(代碼運行在高異常級別，例如 arm-tf )需支持以下功能：

 - 提供低異常級別(EL2 和 EL1)訪問 AMU 寄存器的能力。

 - 使能計數器。如果未使能，它的值應爲 0。

 - 在從電源關閉狀態啓動 CPU 前或後保存或者恢復計數器。

當使用使能了該特性的內核啓動但固件損壞時，訪問計數器寄存器可能會遭遇

panic 或者死鎖。即使未發現這些症狀，計數器寄存器返回的數據結果並不一

定能反映真實情況。通常，計數器會返回 0，表明他們未被使能。

如果固件沒有提供適當的支持最好關閉 CONFIG_ARM64_AMU_EXTN。

值得注意的是，出於安全原因，不要繞過 AMUSERRENR_EL0 設置而捕獲從

EL0(用戶空間) 訪問 EL1(內核空間)。 因此，固件應該確保訪問 AMU寄存器

不會困在 EL2或EL3。

AMUv1 的固定計數器可以通過如下系統寄存器訪問：

 - SYS_AMEVCNTR0_CORE_EL0

 - SYS_AMEVCNTR0_CONST_EL0

 - SYS_AMEVCNTR0_INST_RET_EL0

 - SYS_AMEVCNTR0_MEM_STALL_EL0

特定輔助計數器可以通過 SYS_AMEVCNTR1_EL0(n) 訪問，其中n介於0到15。

詳細信息定義在目錄：arch/arm64/include/asm/sysreg.h。

用戶空間訪問

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由於以下原因，當前禁止從用戶空間訪問 AMU 的寄存器：

  - 安全因數：可能會暴露處於安全模式執行的代碼信息。

  - 意願：AMU 是用於系統管理的。

同樣，該功能對用戶空間不可見。

虛擬化

------

由於以下原因，當前禁止從 KVM 客戶端的用戶空間(EL0)和內核空間(EL1)

訪問 AMU 的寄存器：

  - 安全因數：可能會暴露給其他客戶端或主機端執行的代碼信息。

任何試圖訪問 AMU 寄存器的行爲都會觸發一個註冊在客戶端的未定義異常。

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Chinese translated version of Documentation/arm64/booting.rst

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M:	Will Deacon <will.deacon@arm.com>

zh_CN:	Fu Wei <wefu@redhat.com>

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交流有困難的話，也可以向中文版維護者求助。如果本翻譯更新不及時或者翻

譯存在問題，請聯繫中文版維護者。

英文版維護者： Will Deacon <will.deacon@arm.com>

中文版維護者： 傅煒  Fu Wei <wefu@redhat.com>

中文版翻譯者： 傅煒  Fu Wei <wefu@redhat.com>

中文版校譯者： 傅煒  Fu Wei <wefu@redhat.com>

繁體中文版校譯者： 胡皓文  Hu Haowen <src.res@email.cn>

本文翻譯提交時的 Git 檢出點爲： 55f058e7574c3615dea4615573a19bdb258696c6

以下爲正文

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			啓動 AArch64 Linux

			==================

作者: Will Deacon <will.deacon@arm.com>

日期: 2012 年 09 月 07 日

本文檔基於 Russell King 的 ARM 啓動文檔，且適用於所有公開發布的

AArch64 Linux 內核代碼。

AArch64 異常模型由多個異常級（EL0 - EL3）組成，對於 EL0 和 EL1 異常級

有對應的安全和非安全模式。EL2 是系統管理級，且僅存在於非安全模式下。

EL3 是最高特權級，且僅存在於安全模式下。

基於本文檔的目的，我們將簡單地使用『引導裝載程序』（『boot loader』）

這個術語來定義在將控制權交給 Linux 內核前 CPU 上執行的所有軟體。

這可能包含安全監控和系統管理代碼，或者它可能只是一些用於準備最小啓動

環境的指令。

基本上，引導裝載程序（至少）應實現以下操作：

1、設置和初始化 RAM

2、設置設備樹數據

3、解壓內核映像

4、調用內核映像

1、設置和初始化 RAM

-----------------

必要性: 強制

引導裝載程序應該找到並初始化系統中所有內核用於保持系統變量數據的 RAM。

這個操作的執行方式因設備而異。（它可能使用內部算法來自動定位和計算所有

RAM，或可能使用對這個設備已知的 RAM 信息，還可能是引導裝載程序設計者

想到的任何合適的方法。）

2、設置設備樹數據

---------------

必要性: 強制

設備樹數據塊（dtb）必須 8 字節對齊，且大小不能超過 2MB。由於設備樹

數據塊將在使能緩存的情況下以 2MB 粒度被映射，故其不能被置於必須以特定

屬性映射的2M區域內。

註： v4.2 之前的版本同時要求設備樹數據塊被置於從內核映像以下

text_offset 字節處算起第一個 512MB 內。

3、解壓內核映像

-------------

必要性: 可選

AArch64 內核當前沒有提供自解壓代碼，因此如果使用了壓縮內核映像文件

（比如 Image.gz），則需要通過引導裝載程序（使用 gzip 等）來進行解壓。

若引導裝載程序沒有實現這個功能，就要使用非壓縮內核映像文件。

4、調用內核映像

-------------

必要性: 強制

已解壓的內核映像包含一個 64 字節的頭，內容如下：

  u32 code0;			/* 可執行代碼 */

  u32 code1;			/* 可執行代碼 */

  u64 text_offset;		/* 映像裝載偏移，小端模式 */

  u64 image_size;		/* 映像實際大小, 小端模式 */

  u64 flags;			/* 內核旗標, 小端模式 *

  u64 res2	= 0;		/* 保留 */

  u64 res3	= 0;		/* 保留 */

  u64 res4	= 0;		/* 保留 */

  u32 magic	= 0x644d5241;	/* 魔數, 小端, "ARM\x64" */

  u32 res5;			/* 保留 （用於 PE COFF 偏移） */

映像頭注釋：

- 自 v3.17 起，除非另有說明，所有域都是小端模式。

- code0/code1 負責跳轉到 stext.

- 當通過 EFI 啓動時， 最初 code0/code1 被跳過。

  res5 是到 PE 文件頭的偏移，而 PE 文件頭含有 EFI 的啓動入口點

  （efi_stub_entry）。當 stub 代碼完成了它的使命，它會跳轉到 code0

  繼續正常的啓動流程。

- v3.17 之前，未明確指定 text_offset 的字節序。此時，image_size 爲零，

  且 text_offset 依照內核字節序爲 0x80000。

  當 image_size 非零，text_offset 爲小端模式且是有效值，應被引導加載

  程序使用。當 image_size 爲零，text_offset 可假定爲 0x80000。

- flags 域 (v3.17 引入) 爲 64 位小端模式，其編碼如下：

  位 0: 	內核字節序。 1 表示大端模式，0 表示小端模式。

  位 1-2:	內核頁大小。

			0 - 未指定。

			1 - 4K

			2 - 16K

			3 - 64K

  位 3:		內核物理位置

			0 - 2MB 對齊基址應儘量靠近內存起始處，因爲

			    其基址以下的內存無法通過線性映射訪問

			1 - 2MB 對齊基址可以在物理內存的任意位置

  位 4-63:	保留。

- 當 image_size 爲零時，引導裝載程序應試圖在內核映像末尾之後儘可能

  多地保留空閒內存供內核直接使用。對內存空間的需求量因所選定的內核

  特性而異, 並無實際限制。

內核映像必須被放置在任意一個可用系統內存 2MB 對齊基址的 text_offset

字節處，並從該處被調用。2MB 對齊基址和內核映像起始地址之間的區域對於

內核來說沒有特殊意義，且可能被用於其他目的。

從映像起始地址算起，最少必須準備 image_size 字節的空閒內存供內核使用。

註： v4.6 之前的版本無法使用內核映像物理偏移以下的內存，所以當時建議

將映像儘量放置在靠近系統內存起始的地方。

任何提供給內核的內存（甚至在映像起始地址之前），若未從內核中標記爲保留

(如在設備樹（dtb）的 memreserve 區域），都將被認爲對內核是可用。

在跳轉入內核前，必須符合以下狀態：

- 停止所有 DMA 設備，這樣內存數據就不會因爲虛假網絡包或磁碟數據而

  被破壞。這可能可以節省你許多的調試時間。

- 主 CPU 通用寄存器設置

  x0 = 系統 RAM 中設備樹數據塊（dtb）的物理地址。

  x1 = 0 (保留，將來可能使用)

  x2 = 0 (保留，將來可能使用)

  x3 = 0 (保留，將來可能使用)

- CPU 模式

  所有形式的中斷必須在 PSTATE.DAIF 中被屏蔽（Debug、SError、IRQ

  和 FIQ）。

  CPU 必須處於 EL2（推薦，可訪問虛擬化擴展）或非安全 EL1 模式下。

- 高速緩存、MMU

  MMU 必須關閉。

  指令緩存開啓或關閉皆可。

  已載入的內核映像的相應內存區必須被清理，以達到緩存一致性點（PoC）。

  當存在系統緩存或其他使能緩存的一致性主控器時，通常需使用虛擬地址

  維護其緩存，而非 set/way 操作。

  遵從通過虛擬地址操作維護構架緩存的系統緩存必須被配置，並可以被使能。

  而不通過虛擬地址操作維護構架緩存的系統緩存（不推薦），必須被配置且

  禁用。

  *譯者註：對於 PoC 以及緩存相關內容，請參考 ARMv8 構架參考手冊

   ARM DDI 0487A

- 架構計時器

  CNTFRQ 必須設定爲計時器的頻率，且 CNTVOFF 必須設定爲對所有 CPU

  都一致的值。如果在 EL1 模式下進入內核，則 CNTHCTL_EL2 中的

  EL1PCTEN (bit 0) 必須置位。

- 一致性

  通過內核啓動的所有 CPU 在內核入口地址上必須處於相同的一致性域中。

  這可能要根據具體實現來定義初始化過程，以使能每個CPU上對維護操作的

  接收。

- 系統寄存器

  在進入內核映像的異常級中，所有構架中可寫的系統寄存器必須通過軟體

  在一個更高的異常級別下初始化，以防止在 未知 狀態下運行。

  對於擁有 GICv3 中斷控制器並以 v3 模式運行的系統：

  - 如果 EL3 存在：

    ICC_SRE_EL3.Enable (位 3) 必須初始化爲 0b1。

    ICC_SRE_EL3.SRE (位 0) 必須初始化爲 0b1。

  - 若內核運行在 EL1：

    ICC_SRE_EL2.Enable (位 3) 必須初始化爲 0b1。

    ICC_SRE_EL2.SRE (位 0) 必須初始化爲 0b1。

  - 設備樹（DT）或 ACPI 表必須描述一個 GICv3 中斷控制器。

  對於擁有 GICv3 中斷控制器並以兼容（v2）模式運行的系統：

  - 如果 EL3 存在：

    ICC_SRE_EL3.SRE (位 0) 必須初始化爲 0b0。

  - 若內核運行在 EL1：

    ICC_SRE_EL2.SRE (位 0) 必須初始化爲 0b0。

  - 設備樹（DT）或 ACPI 表必須描述一個 GICv2 中斷控制器。

以上對於 CPU 模式、高速緩存、MMU、架構計時器、一致性、系統寄存器的

必要條件描述適用於所有 CPU。所有 CPU 必須在同一異常級別跳入內核。

引導裝載程序必須在每個 CPU 處於以下狀態時跳入內核入口：

- 主 CPU 必須直接跳入內核映像的第一條指令。通過此 CPU 傳遞的設備樹

  數據塊必須在每個 CPU 節點中包含一個 『enable-method』 屬性，所

  支持的 enable-method 請見下文。

  引導裝載程序必須生成這些設備樹屬性，並在跳入內核入口之前將其插入

  數據塊。

- enable-method 爲 「spin-table」 的 CPU 必須在它們的 CPU

  節點中包含一個 『cpu-release-addr』 屬性。這個屬性標識了一個

  64 位自然對齊且初始化爲零的內存位置。

  這些 CPU 必須在內存保留區（通過設備樹中的 /memreserve/ 域傳遞

  給內核）中自旋於內核之外，輪詢它們的 cpu-release-addr 位置（必須

  包含在保留區中）。可通過插入 wfe 指令來降低忙循環開銷，而主 CPU 將

  發出 sev 指令。當對 cpu-release-addr 所指位置的讀取操作返回非零值

  時，CPU 必須跳入此值所指向的地址。此值爲一個單獨的 64 位小端值，

  因此 CPU 須在跳轉前將所讀取的值轉換爲其本身的端模式。

- enable-method 爲 「psci」 的 CPU 保持在內核外（比如，在

  memory 節點中描述爲內核空間的內存區外，或在通過設備樹 /memreserve/

  域中描述爲內核保留區的空間中）。內核將會發起在 ARM 文檔（編號

  ARM DEN 0022A：用於 ARM 上的電源狀態協調接口系統軟體）中描述的

  CPU_ON 調用來將 CPU 帶入內核。

  *譯者注: ARM DEN 0022A 已更新到 ARM DEN 0022C。

  設備樹必須包含一個 『psci』 節點，請參考以下文檔：

  Documentation/devicetree/bindings/arm/psci.yaml

- 輔助 CPU 通用寄存器設置

  x0 = 0 (保留，將來可能使用)

  x1 = 0 (保留，將來可能使用)

  x2 = 0 (保留，將來可能使用)

  x3 = 0 (保留，將來可能使用)

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ARM64 ELF hwcaps

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這篇文檔描述了 arm64 ELF hwcaps 的用法和語義。

1. 簡介

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有些硬體或軟體功能僅在某些 CPU 實現上和/或在具體某個內核配置上可用，但

對於處於 EL0 的用戶空間代碼沒有可用的架構發現機制。內核通過在輔助向量表

公開一組稱爲 hwcaps 的標誌而把這些功能暴露給用戶空間。

用戶空間軟體可以通過獲取輔助向量的 AT_HWCAP 或 AT_HWCAP2 條目來測試功能，

並測試是否設置了相關標誌，例如::

	bool floating_point_is_present(void)

	{

		unsigned long hwcaps = getauxval(AT_HWCAP);

		if (hwcaps & HWCAP_FP)

			return true;

		return false;

	}

如果軟體依賴於 hwcap 描述的功能，在嘗試使用該功能前則應檢查相關的 hwcap

標誌以驗證該功能是否存在。

不能通過其他方式探查這些功能。當一個功能不可用時，嘗試使用它可能導致不可

預測的行爲，並且無法保證能確切的知道該功能不可用，例如 SIGILL。

2. Hwcaps 的說明

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大多數 hwcaps 旨在說明通過架構 ID 寄存器(處於 EL0 的用戶空間代碼無法訪問)

描述的功能的存在。這些 hwcap 通過 ID 寄存器欄位定義，並且應根據 ARM 體系

結構參考手冊（ARM ARM）中定義的欄位來解釋說明。

這些 hwcaps 以下面的形式描述::

    idreg.field == val 表示有某個功能。

當 idreg.field 中有 val 時，hwcaps 表示 ARM ARM 定義的功能是有效的，但是

並不是說要完全和 val 相等，也不是說 idreg.field 描述的其他功能就是缺失的。

其他 hwcaps 可能表明無法僅由 ID 寄存器描述的功能的存在。這些 hwcaps 可能

沒有被 ID 寄存器描述，需要參考其他文檔。

3. AT_HWCAP 中揭示的 hwcaps

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HWCAP_FP

    ID_AA64PFR0_EL1.FP == 0b0000 表示有此功能。

HWCAP_ASIMD

    ID_AA64PFR0_EL1.AdvSIMD == 0b0000 表示有此功能。

HWCAP_EVTSTRM

    通用計時器頻率配置爲大約100KHz以生成事件。

HWCAP_AES

    ID_AA64ISAR0_EL1.AES == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_PMULL

    ID_AA64ISAR0_EL1.AES == 0b0010 表示有此功能。

HWCAP_SHA1

    ID_AA64ISAR0_EL1.SHA1 == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_SHA2

    ID_AA64ISAR0_EL1.SHA2 == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_CRC32

    ID_AA64ISAR0_EL1.CRC32 == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_ATOMICS

    ID_AA64ISAR0_EL1.Atomic == 0b0010 表示有此功能。

HWCAP_FPHP

    ID_AA64PFR0_EL1.FP == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_ASIMDHP

    ID_AA64PFR0_EL1.AdvSIMD == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_CPUID

    根據 Documentation/arm64/cpu-feature-registers.rst 描述，EL0 可以訪問

    某些 ID 寄存器。

    這些 ID 寄存器可能表示功能的可用性。

HWCAP_ASIMDRDM

    ID_AA64ISAR0_EL1.RDM == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_JSCVT

    ID_AA64ISAR1_EL1.JSCVT == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_FCMA

    ID_AA64ISAR1_EL1.FCMA == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_LRCPC

    ID_AA64ISAR1_EL1.LRCPC == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_DCPOP

    ID_AA64ISAR1_EL1.DPB == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_SHA3

    ID_AA64ISAR0_EL1.SHA3 == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_SM3

    ID_AA64ISAR0_EL1.SM3 == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_SM4

    ID_AA64ISAR0_EL1.SM4 == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_ASIMDDP

    ID_AA64ISAR0_EL1.DP == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_SHA512

    ID_AA64ISAR0_EL1.SHA2 == 0b0010 表示有此功能。

HWCAP_SVE

    ID_AA64PFR0_EL1.SVE == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_ASIMDFHM

    ID_AA64ISAR0_EL1.FHM == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_DIT

    ID_AA64PFR0_EL1.DIT == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_USCAT

    ID_AA64MMFR2_EL1.AT == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_ILRCPC

    ID_AA64ISAR1_EL1.LRCPC == 0b0010 表示有此功能。

HWCAP_FLAGM

    ID_AA64ISAR0_EL1.TS == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_SSBS

    ID_AA64PFR1_EL1.SSBS == 0b0010 表示有此功能。

HWCAP_SB

    ID_AA64ISAR1_EL1.SB == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP_PACA

    如 Documentation/arm64/pointer-authentication.rst 所描述，

    ID_AA64ISAR1_EL1.APA == 0b0001 或 ID_AA64ISAR1_EL1.API == 0b0001

    表示有此功能。

HWCAP_PACG

    如 Documentation/arm64/pointer-authentication.rst 所描述，

    ID_AA64ISAR1_EL1.GPA == 0b0001 或 ID_AA64ISAR1_EL1.GPI == 0b0001

    表示有此功能。

HWCAP2_DCPODP

    ID_AA64ISAR1_EL1.DPB == 0b0010 表示有此功能。

HWCAP2_SVE2

    ID_AA64ZFR0_EL1.SVEVer == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP2_SVEAES

    ID_AA64ZFR0_EL1.AES == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP2_SVEPMULL

    ID_AA64ZFR0_EL1.AES == 0b0010 表示有此功能。

HWCAP2_SVEBITPERM

    ID_AA64ZFR0_EL1.BitPerm == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP2_SVESHA3

    ID_AA64ZFR0_EL1.SHA3 == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP2_SVESM4

    ID_AA64ZFR0_EL1.SM4 == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP2_FLAGM2

    ID_AA64ISAR0_EL1.TS == 0b0010 表示有此功能。

HWCAP2_FRINT

    ID_AA64ISAR1_EL1.FRINTTS == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP2_SVEI8MM

    ID_AA64ZFR0_EL1.I8MM == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP2_SVEF32MM

    ID_AA64ZFR0_EL1.F32MM == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP2_SVEF64MM

    ID_AA64ZFR0_EL1.F64MM == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP2_SVEBF16

    ID_AA64ZFR0_EL1.BF16 == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP2_I8MM

    ID_AA64ISAR1_EL1.I8MM == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP2_BF16

    ID_AA64ISAR1_EL1.BF16 == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP2_DGH

    ID_AA64ISAR1_EL1.DGH == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP2_RNG

    ID_AA64ISAR0_EL1.RNDR == 0b0001 表示有此功能。

HWCAP2_BTI

    ID_AA64PFR0_EL1.BT == 0b0001 表示有此功能。

4. 未使用的 AT_HWCAP 位

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爲了與用戶空間交互，內核保證 AT_HWCAP 的第62、63位將始終返回0。

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ARM64中的 HugeTLBpage

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大頁依靠有效利用 TLBs 來提高地址翻譯的性能。這取決於以下

兩點 -

  - 大頁的大小

  - TLBs 支持的條目大小

ARM64 接口支持2種大頁方式。

1) pud/pmd 級別的塊映射

-----------------------

這是常規大頁，他們的 pmd 或 pud 頁面表條目指向一個內存塊。

不管 TLB 中支持的條目大小如何，塊映射可以減少翻譯大頁地址

所需遍歷的頁表深度。

2) 使用連續位

-------------

架構中轉換頁表條目(D4.5.3, ARM DDI 0487C.a)中提供一個連續

位告訴 MMU 這個條目是一個連續條目集的一員，它可以被緩存在單

個 TLB 條目中。

在 Linux 中連續位用來增加 pmd 和 pte(最後一級)級別映射的大

小。受支持的連續頁表條目數量因頁面大小和頁表級別而異。

支持以下大頁尺寸配置 -

  ====== ========   ====    ========    ===

  -      CONT PTE    PMD    CONT PMD    PUD

  ====== ========   ====    ========    ===

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ARM64 架構

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