ZYNQ-7000平台Armv7 MMU虚拟化功能未生效问题排查

概述 #

我正在评估Xilinx ZYNQ-7000 SoC（搭载2颗Cortex-A9处理器）的MMU功能。

Xilinx原生MMU库的局限性 #

最初尝试使用xil_mmu.h库，但其实现存在明显局限：不支持灵活的物理地址（P）与虚拟地址（V）互转，且仅支持1MB粒度的页表项，无法实现跨段地址映射。以Xil_SetTlbAttributes函数为例：

void Xil_SetTlbAttributes(INTPTR Addr, u32 attrib)
{
    u32 *ptr;
    u32 section;

    section = Addr / 0x100000U;
    ptr = &MMUTable;
    ptr += section;
    if(ptr != NULL) {
        *ptr = (Addr & 0xFFF00000U) | attrib;
    }

    Xil_DCacheFlush();

    mtcp(XREG_CP15_INVAL_UTLB_UNLOCKED, 0U);
    /* Invalidate all branch predictors */
    mtcp(XREG_CP15_INVAL_BRANCH_ARRAY, 0U);

    dsb(); /* ensure completion of the BP and TLB invalidation */
    isb(); /* synchronize context on this processor */
}

可见section变量直接由物理地址计算得出，只能实现虚拟地址与物理地址同段的映射，无法完成诸如物理地址0x100000到虚拟地址0x200000这类跨段转换。

自定义MMU实现 #

针对原生库的不足，我对其进行了扩展，实现了支持任意虚拟-物理地址映射的功能：

核心实现代码 #

/*
 *  刷新、失效TLB并同步处理器的函数
 */
static void hwi_mmu_picoZed_7010_sync()
{
    Xil_DCacheFlush();

    mtcp(XREG_CP15_INVAL_UTLB_UNLOCKED, 0U);
    /* 失效所有分支预测器 */
    mtcp(XREG_CP15_INVAL_BRANCH_ARRAY, 0U);

    dsb(); /* 确保BP和TLB失效操作完成 */
    isb(); /* 同步当前处理器上下文 */
}

/*
 *  根据属性设置L1页表中的条目
 */
static void hwi_mmu_picoZed_7010_set_table_entry(uint32_t entry, uint32_t properties)
{
    // 处理越界条目
    if (entry > 4095)
        return;
    // 获取4096个条目中的一个
    uintptr_t *new_entry = (uintptr_t *)&MMUTable + entry;
    if (new_entry)
        *new_entry = properties;
}

// 针对特定条目类型的包装函数，调用hwi_mmu_picoZed_7010_set_table_entry

// 设置L1页表中的段条目，传入物理地址、虚拟段索引和属性
void hwi_mmu_set_L1_Section(uint32_t addr, uint32_t entry, uint32_t properties)
{
    // 验证是否为段类型条目
    if (!IS_ENTRY_SECTION(properties))
        return;
    hwi_mmu_picoZed_7010_set_table_entry(entry, (addr & 0xFFF00000) | properties);
}

内存属性宏定义 #

为简化配置，基于ZYNQ-7000技术参考手册UG585第3章图3-5定义了以下宏：

#define SECTION_ENTRY 0x00000002
#define IS_ENTRY_SECTION(entry) (((entry)&0x04000003) == SECTION_ENTRY)

// 权限属性
// 特权级无权限，用户级无权限
#define SECTION_AP_PERMISSION_FAULT 0x0000
// 特权级读写，用户级无权限
#define SECTION_AP_PRIVILEDGE_ACCESS 0x0400
// 特权级读写，用户级只读
#define SECTION_AP_USER_NO_WRITE 0x0800
// 特权级读写，用户级读写
#define SECTION_AP_FULL_ACCESS 0x0C00
// 特权级只读，用户级无权限
#define SECTION_AP_PRIVELEDGE_READ 0x8400
// 特权级只读，用户级只读
#define SECTION_AP_READ_ONLY 0x8800

// 内存类型属性
// 强序内存（不可缓存）
#define SECTION_STRONGLY_ORDERED 0x0000
// 可共享设备内存（仅写缓存，分配新条目）
#define SECTION_SHAREABLE_DEVICE 0x0004
// 写穿透缓存（写同时更新缓存和内存，写不分配）
#define SECTION_WRITE_THROUGH_NO_ALLOC_ON_WRITE 0x0008
// 回写缓存（仅写缓存，写不分配）
#define SECTION_WRITE_BACK_NO_ALLOC_ON_WRITE 0x000C
// 普通内存不可缓存
#define SECTION_NON_CACHEABLE 0x1000
// 普通内存可缓存
#define SECTION_CACHEABLE 0x100C
// 不可共享设备内存
#define SECTION_NON_SHAREABLE 0x2000

// 共享位
#define SECTION_SHARE_BIT_SET 0x00010000
#define SECTION_SHARE_BIT_CLEAR 0x00000000

// 非全局位
#define SECTION_NON_GLOBAL_SET 0x02000000
#define SECTION_NON_GLOBAL_CLEAR 0x00000000

// 执行禁止位
#define SECTION_EXECUTE_NEVER_SET 0x00000010
#define SECTION_EXECUTE_NEVER_CLEAR 0x00000000

测试代码与问题现象 #

我编写了以下测试代码验证映射功能：

#include "hwi_mmu_picoZed_7010.h"
#include <stdint.h>
#include <xil_mmu.h>

int main(void) {
    Xil_EnableMMU();

    uint32_t addr1 = 0x6400000; // 虚拟地址0x6400000
    uint32_t addr0 = 0x6300000; // 物理地址0x6300000

    // 设置虚拟段0x63（对应虚拟地址0x6300000）映射到物理地址0x6400000
    hwi_mmu_set_L1_Section(addr1, 0x63, SECTION_ENTRY | SECTION_SHARE_BIT_SET | SECTION_AP_FULL_ACCESS | SECTION_SHAREABLE_DEVICE);
    hwi_mmu_sync();
    // 设置虚拟段0x64（对应虚拟地址0x6400000）映射到物理地址0x6300000
    hwi_mmu_set_L1_Section(addr0, 0x64, SECTION_ENTRY | SECTION_SHARE_BIT_SET | SECTION_AP_FULL_ACCESS | SECTION_SHAREABLE_DEVICE);
    hwi_mmu_sync();

    // 向虚拟地址addr1写入值123，预期写入物理地址addr0
    *((uint32_t *)(uintptr_t)addr1) = 123;
    return 1;
}

测试逻辑为：将虚拟地址0x6300000映射到物理地址0x6400000，虚拟地址0x6400000映射到物理地址0x6300000，随后向虚拟地址0x6400000写入123，预期该值会被写入物理地址0x6300000。

但实际测试发现，值仍然被写入物理地址0x6400000，仿佛MMU未生效。通过查看CP15 C1寄存器确认MMU确实处于激活状态，但地址映射未按预期工作。

问题排查方向 #

1. 页表基地址验证：检查CP15的TTBR0/TTBR1寄存器是否正确指向自定义的MMUTable物理地址（需16KB对齐）。原生Xil_EnableMMU可能设置了默认页表，需确保TTBR0已更新为新页表地址。
2. 页表初始化检查：确认MMUTable使用前已完成初始化，未使用条目需设为无效，避免遗留原生库的"虚拟地址=物理地址"默认映射。
3. TLB失效范围扩展：当前hwi_mmu_sync仅失效未锁定的UTLB，建议全局失效所有TLB（包括ITLB和锁定条目），可使用mtcp(XREG_CP15_INVAL_TLB, 0U)指令。
4. 内存屏障强化：在修改页表后，需确保页表写入同步到物理内存，可在hwi_mmu_sync中增加DCache的清理操作，避免页表仅存于缓存中。
5. 页表条目校验：调试时读取MMUTable[0x64]的值，确认是否包含正确的物理地址0x6300000和属性位，验证条目是否被正确修改。
6. 多核同步处理：ZYNQ-7000为双核架构，若仅在单核修改页表，需同步失效另一核的TLB，并确保页表所在内存为共享强序类型。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Vladouch