2.4 ARM架構

2.4.1 ARM架構簡介

ARM（Advanced RISC Machine）即高級精簡指令集機器，在嵌入式系統設計中被廣泛使用。ARM處理器具有低成本、高性能和低耗電的特性，非常適用于移動通信領域，在多年發展過程中，在智能手機領域取得了一枝獨秀的地位，目前幾乎所有的智能手機都采用了ARM架構。

與Intel的X86架構相比，ARM架構進行了大幅度的簡化，使整個處理器擁有小體積、高效能的特性。X86架構的PC計算機使用“橋”（南橋、北橋）的方式與硬盤、內存等擴展設備進行連接，因此很容易實現增加內存、硬盤等性能擴展。采用ARM結構的系統，一般不考慮擴展，在產品設計時就會設定好內存及存儲的容量，通過系統單芯片（SoC，System on a Chip）的方式，將PC架構下需要專門部件（如GPU、I/O控制、調制解調器等）完成的功能高度整合在單個芯片部件上。

操作系統方面，ARM系統大部分采用了基于Linux內核的操作系統，而且幾乎所有的硬件系統都需要單獨構建自己的系統，以致于與其他系統不能兼容，應用軟件不能方便移植，這一直制約了ARM系統的發展和應用。Google開發了Android系統并開放后，使基于ARM架構的系統有了統一、開放、免費的操作系統，為ARM的發展提供了強大的支持和動力。

2.4.2 ARM內存管理和地址轉換

ARM架構下也采用了虛擬內存管理技術，在CPU核和內存之間的地址總線上增加了一層，利用MMU（Memory Managage Unit）存儲管理單元和TLB實現虛擬存儲地址（VA）到物理地址（PA）的映射，并控制存儲空間訪問權限和設置存儲空間的緩沖特性等。

ARM架構下，ARM公司只做ARM的內核，其他公司獲得ARM內核后會自行生產自己的SoC芯片，因此不同廠家生產的芯片，從CPU到芯片的地址重映射是不同的。所以，ARM架構下的內存取證分析，首先需要了解SoC芯片上資源地址空間的劃分，這一劃分對于固定的架構一般是不會變化的，需要參考具體SoC芯片的設計說明書。

ARM MMU硬件也是通過頁表機制將虛擬地址翻譯成對應物理地址的，處理器通過查找頁表中的描述符來獲取虛擬地址對應的物理地址[5]。

ARM MMU硬件采用兩級頁表結構：一級頁表（L1）和二級頁表（L2），頁表格式如表2-3所示。

L1頁表只有一個主頁表，也稱為L1主頁表（L1 MasterPage Table）或者段頁表（Section Page Table）。使用虛擬地址（VA）的高12 bit位索引該表，所以該表有212（4 kB）個頁表項（PTE，Page Table Entry），每個頁表項4 byte，一共需要占用內存16 kB。

有兩種類型的L2頁表，分別是L2粗頁表（Coarse Page Table）和L2細頁表（Fine Page Table）。對于L2粗頁表，使用VA的次高8 bit索引該表，所以該表有28（256）個頁表項（PTE，Page Table Entry），每個頁表項4 byte，一共需要占用內存1 kB。對于L2細頁表，使用VA的次高10 bit索引該表，所以該表有210（1024）個頁表項（PTE），每個頁表項4 byte，一共需要占用內存4 kB。

表2-3 頁表地址格式

圖2-8是使用L1主頁表和L2粗頁表實現的一個簡單虛擬地址到物理地址（PA）的轉化示意。

圖2-8 L1主頁表和L2粗頁表的地址轉換