ARM存儲(chǔ)管理系統(tǒng)MMU

CPU通過地址來訪問內(nèi)存中的單元，地址有虛擬地址和物理地址之分。如果CPU沒有MMU（Memory Management Unit，內(nèi)存管理單元），或者有MMU但沒有啟用，CPU在訪問內(nèi)存時(shí)發(fā)出的地址將直接傳送到地址總線上，使具有相同地址的物理存儲(chǔ)器被讀寫。這稱為物理地址（Physical Address，以下簡稱PA），如下圖所示：

圖1.物理地址示意圖

如果CPU啟用了MMU，CPU核發(fā)出的地址將被MMU截獲，從CPU到MMU的地址稱為虛擬地址（Virtual Address，以下簡稱VA），而MMU將這個(gè)地址翻譯成真正的物理地址發(fā)送到地址總線上，也就是將虛擬地址映射成物理地址，如下圖所示：

圖2.虛擬地址示意圖

二、虛擬地址映射物理地址原理

頁表是實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址轉(zhuǎn)換的一個(gè)重要手段。我們在使用MMU以前，需要在內(nèi)存中新建一個(gè)頁表。表中的每一行（即一個(gè)字的大小）存放的是一個(gè)物理內(nèi)存頁的基地址，該頁的訪問權(quán)限和緩沖特性等，這里將頁表中這樣的一行稱為一個(gè)地址變換條目。頁表存放在內(nèi)存中，CP15的C2寄存器用來存放頁表的基地址。

多數(shù)使用虛擬存儲(chǔ)器的系統(tǒng)都使用一種稱為分頁（paging）。虛擬地址空間劃分成稱為頁（page）的單位。而相應(yīng)的物理地址空間也被進(jìn)行劃分，單位是頁框(frame).頁和頁框的大小必須相同。

虛擬地址被MMU分為兩部分，，第一部分是頁號(hào)索引（page Index），第二部分則是相對(duì)該頁首地址的偏移量（offset）

當(dāng)CPU訪問一個(gè)地址時(shí)，該地址是虛擬地址，于是該地址被送到MMU，MMU再根據(jù)虛擬地址的高幾位作為頁號(hào)索引，在頁表中尋找對(duì)應(yīng)的地址變換條目。從地址變換條目中找到物理地址的頁基地址，再加上虛擬地址中的偏移量，便得到了真正的物理地址，然后由MMU將物理地址發(fā)送到地址總線上，訪問物理內(nèi)存。

那么MMU是如何使用頁號(hào)索引在頁表中找到對(duì)應(yīng)的地址變換條目呢？MMU會(huì)用CP15協(xié)處理其中的C2寄存器存放的頁表基地址加上虛擬地址的頁號(hào)索引值，然后便得到了頁表中對(duì)應(yīng)的地址變換條目的地址。其實(shí)頁號(hào)索引就是相對(duì)于頁表基地址的一個(gè)偏移量，然后使用基地址加偏移量的方式得到一個(gè)頁表中的地址。

例：如圖所示，如果分頁大小為1M，虛擬地址為0x30000012,

虛擬地址的二進(jìn)制碼為00110000 00000000 00000000 00010010 前12位為頁號(hào)索引，后20位為偏移量，因?yàn)?^20 = 1M

前12位頁號(hào)索引為00110000 0000 = 768，所以在頁表中找到相對(duì)于頁表基地址的偏移量為768的地址，然后得到地址變換條目。于是0x0300 << 20位，便得到了物理頁基地址，再加上虛擬地址中的偏移位0000 00000000 00010010 = 0x12，便得到了真正的物理地址0x30000012。

1、TLB的概念

從虛擬地址到物理地址的變換過程其實(shí)就是查詢頁表的過程，由于頁表存放在內(nèi)存中，這個(gè)查詢過程通常代價(jià)很大。而程序在執(zhí)行過程中具有局部性，也就是說，一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)頁表的訪問只是局限在少數(shù)幾個(gè)單元中。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，采用一個(gè)容量更小、訪問速度更快的存儲(chǔ)器來存放當(dāng)前訪問需要的地址變換條目。這個(gè)小容量的頁表稱為快表，也稱TLB.

當(dāng)CPU訪問內(nèi)存時(shí)，現(xiàn)在TLB中查找需要的地址變換條目。如果該條目不存在，CPU從位于內(nèi)存的頁表中查詢，并把相應(yīng)的結(jié)果添加到TLB中。這樣，當(dāng)CPU下一次又需要該地址變換條目時(shí)，可以從TLB中直接得到，從而使地址變換的速度大大加快。

當(dāng)內(nèi)存中的頁表內(nèi)容改變，或者通過修改CP15中的寄存器C2使用新的頁表時(shí)，TLB的內(nèi)容需要全部清除。MMU提供了相關(guān)的硬件支持這種操作。CP15中的寄存器C8用來 控制清除TLB內(nèi)容的相關(guān)操作。

MMU可以將某些地址變換條目鎖定在TLB中，從而使得進(jìn)行與該地址變換條目相關(guān)的地址變換速度保持很快。在MMU中C10用于控制TLB內(nèi)容的鎖定。

注：TLB中存放的是地址變換條目，相當(dāng)于一個(gè)小頁表。

• 使無效TLB內(nèi)容

有時(shí)候頁表可能只是部分內(nèi)容改變了，只影響了很少的地址映射關(guān)系，這種情況下，可以只使無效TLB對(duì)應(yīng)的單個(gè)地址變換條目可能會(huì)提高系統(tǒng)性能。

系統(tǒng)協(xié)處理器CP15的寄存器C8就是清除TLB內(nèi)容的相關(guān)操作。它是一個(gè)只寫的寄存器。

MCR p15，0，Rd，c8，CRm，opcode_2

Rd中為要寫入C8寄存器的內(nèi)容，CRm和opcode_2的不同組合決定指令執(zhí)行的不同操作。

MCR p15, 0, Rd, c8, c5, 0

MCR p15, 0, Rd, c8, c5, 1

MCR p15, 0, Rd, c8, c6, 0

MCR p15, 0, Rd, c8, c6, 1

MCR p15, 0, , c8, c7, 0

MCR p15, 0, , c8, c7, 1

• 鎖定TLB的內(nèi)容

2、存儲(chǔ)訪問過程

a、使能MMU時(shí)的存儲(chǔ)訪問過程。

當(dāng)ARM處理器請(qǐng)求存儲(chǔ)訪問時(shí)，首先在TLB中查找虛擬地址。如果系統(tǒng)中數(shù)據(jù)TLB和指令TLB是分開的，在取指令時(shí)，從指令TLB查找相應(yīng)的虛擬地址，對(duì)于其他內(nèi)存訪問操作，從數(shù)據(jù)TLB中查找相應(yīng)的虛擬地址。

如果虛擬地址對(duì)應(yīng)的地址變換條目不在TLB中，CPU從位于內(nèi)存的頁表中查詢，并把相應(yīng)的結(jié)果添加到TLB中。如果TLB已經(jīng)滿了，還需要根據(jù)一定的淘汰算法進(jìn)行替換。這樣，當(dāng)CPU下一次又需要該地址變換條目時(shí)，可以從TLB中直接得到，從而使地址變換的速度大大加快。

當(dāng)?shù)玫搅诵枰牡刂纷兓瘲l目以后，將進(jìn)行以下操作

• 禁止MMU時(shí)，是否支持cache和write buffer由各個(gè)具體芯片的設(shè)計(jì)確定。如果芯片規(guī)定禁止MMU時(shí)禁止cache和write buffer，則存儲(chǔ)訪問將不考慮C、B控制位。如果芯片規(guī)定當(dāng)禁止MMU時(shí)可以使能cache和write buffer，則數(shù)據(jù)訪問時(shí)，C=0，B=0;指令讀取時(shí)，如果使用分開的TLB則C=1，如果使用統(tǒng)一的TLB則C=0;
• 存儲(chǔ)訪問不進(jìn)行權(quán)限控制，MMU也不會(huì)產(chǎn)生存儲(chǔ)訪問中止信號(hào)
• 所有的物理地址和虛擬地址相等，即使用平板模式

• 在使能MMU之前，要在內(nèi)存中建立頁號(hào)表，同時(shí)CP15中的各相關(guān)寄存器必須完成初始化。
• 如果使用的不是平板存儲(chǔ)模式（物理地址和虛擬地址相等），在禁止/使能MMU時(shí)，虛擬地址和物理地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系會(huì)發(fā)生改變，這時(shí)應(yīng)該清除cache中的當(dāng)前地址變換條目
• 如果完成禁止/使能MMU的代碼的物理地址和虛擬地址不相同，則禁止/使能MMU時(shí)會(huì)造成很大麻煩，因此強(qiáng)烈建議完成禁止/使能 MMU的代碼的物理地址和虛擬地址最好相同

　b、二級(jí)映射

當(dāng)使用二級(jí)映射時(shí)，一級(jí)頁表L1仍然存在，但是一級(jí)頁表中不再存放物理段基地址了，而是存放了二級(jí)頁表的基地址，也就是二級(jí)頁表的首地址。

　　一級(jí)頁表要表示4G的地址范圍，一共4096項(xiàng)，每一項(xiàng)都表示1M的大小。二級(jí)頁表相當(dāng)于對(duì)一級(jí)頁表這1M的范圍作更詳細(xì)的劃分，所以每個(gè)二級(jí)頁表要表示1M的地址范圍。