解析S3C2410 MMU（存儲器管理單元）

MMU,全稱Memory Manage Unit, 中文名——存儲器管理單元。

許多年以前，當(dāng)人們還在使用DOS或是更古老的操作系統(tǒng)的時候，計算機(jī)的內(nèi)存還非常小，一般都是以K為單位進(jìn)行計算，相應(yīng)的，當(dāng)時的程序規(guī)模也不大，所以內(nèi)存容量雖然小，但還是可以容納當(dāng)時的程序。但隨著圖形界面的興起還用用戶需求的不斷增大，應(yīng)用程序的規(guī)模也隨之膨脹起來，終于一個難題出現(xiàn)在程序員的面前，那就是應(yīng)用程序太大以至于內(nèi)存容納不下該程序，通常解決的辦法是把程序分割成許多稱為覆蓋塊(overlay)的片段。覆蓋塊0首先運(yùn)行，結(jié)束時他將調(diào)用另一個覆蓋塊。雖然覆蓋塊的交換是由OS完成的，但是必須先由程序員把程序先進(jìn)行分割，這是一個費(fèi)時費(fèi)力的工作，而且相當(dāng)枯燥。人們必須找到更好的辦法從根本上解決這個問題。不久人們找到了一個辦法，這就是虛擬存儲器(virtual memory).虛擬存儲器的基本思想是程序，數(shù)據(jù)，堆棧的總的大小可以超過物理存儲器的大小，操作系統(tǒng)把當(dāng)前使用的部分保留在內(nèi)存中，而把其他未被使用的部分保存在磁盤上。比如對一個16MB的程序和一個內(nèi)存只有4MB的機(jī)器，OS通過選擇，可以決定各個時刻將哪4M的內(nèi)容保留在內(nèi)存中，并在需要時在內(nèi)存和磁盤間交換程序片段，這樣就可以把這個16M的程序運(yùn)行在一個只具有4M內(nèi)存機(jī)器上了。而這個16M的程序在運(yùn)行前不必由程序員進(jìn)行分割。

任何時候，計算機(jī)上都存在一個程序能夠產(chǎn)生的地址集合，我們稱之為地址范圍。這個范圍的大小由CPU的位數(shù)決定，例如一個32位的CPU，它的地址范圍是0~0xFFFFFFFF (4G),而對于一個64位的CPU，它的地址范圍為0~0xFFFFFFFFFFFFFFFF (64T).這個范圍就是我們的程序能夠產(chǎn)生的地址范圍，我們把這個地址范圍稱為虛擬地址空間，該空間中的某一個地址我們稱之為虛擬地址。與虛擬地址空間和虛擬地址相對應(yīng)的則是物理地址空間和物理地址，大多數(shù)時候我們的系統(tǒng)所具備的物理地址空間只是虛擬地址空間的一個子集，這里舉一個最簡單的例子直觀地說明這兩者，對于一臺內(nèi)存為256MB的32bit x86主機(jī)來說，它的虛擬地址空間范圍是0~0xFFFFFFFF(4G),而物理地址空間范圍是0x000000000~0x0FFFFFFF(256MB)。

在沒有使用虛擬存儲器的機(jī)器上，虛擬地址被直接送到內(nèi)存總線上，使具有相同地址的物理存儲器被讀寫。而在使用了虛擬存儲器的情況下，虛擬地址不是被直接送到內(nèi)存地址總線上，而是送到內(nèi)存管理單元——MMU(主角終于出現(xiàn)了：])。他由一個或一組芯片組成，一般存在與協(xié)處理器中，其功能是把虛擬地址映射為物理地址。

大多數(shù)使用虛擬存儲器的系統(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。接下來配合圖片我以一個例子說明頁與頁框之間在MMU的調(diào)度下是如何進(jìn)行映射的

在這個例子中我們有一臺可以生成16位地址的機(jī)器，它的虛擬地址范圍從0x0000~0xFFFF(64K),而這臺機(jī)器只有32K的物理地址，因此他可以運(yùn)行64K的程序，但該程序不能一次性調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行。這臺機(jī)器必須有一個達(dá)到可以存放64K程序的外部存儲器(例如磁盤或是FLASH),以保證程序片段在需要時可以被調(diào)用。在這個例子中，頁的大小為4K,頁框大小與頁相同(這點是必須保證的，內(nèi)存和外圍存儲器之間的傳輸總是以頁為單位的)，對應(yīng)64K的虛擬地址和32K的物理存儲器，他們分別包含了16個頁和8個頁框。

我們先根據(jù)上圖解釋一下分頁后要用到的幾個術(shù)語，在上面我們已經(jīng)接觸了頁和頁框，上圖中綠色部分是物理空間，其中每一格表示一個物理頁框。橘黃色部分是虛擬空間，每一格表示一個頁，它由兩部分組成，分別是Frame Index(頁框索引)和位p(present 存在位)，F(xiàn)rame Index的意義很明顯，它指出本頁是往哪個物理頁框進(jìn)行映射的，位p的意義則是指出本頁的映射是否有效，如上圖，當(dāng)某個頁并沒有被映射時(或稱“映射無效”，F(xiàn)rame Index部分為X)，該位為0，映射有效則該位為1。

我們執(zhí)行下面這些指令(本例子的指令不針對任何特定機(jī)型，都是偽指令)

例1：

MOVE REG,0 //將0號地址的值傳遞進(jìn)寄存器REG.

虛擬地址0將被送往MMU,MMU看到該虛地址落在頁0范圍內(nèi)(頁0范圍是0到4095)，從上圖我們看到頁0所對應(yīng)(映射)的頁框為2(頁框2的地址范圍是8192到12287)，因此MMU將該虛擬地址轉(zhuǎn)化為物理地址8192，并把地址8192送到地址總線上。內(nèi)存對MMU的映射一無所知，它只看到一個對地址8192的讀請求并執(zhí)行它。MMU從而把0到4096的虛擬地址映射到8192到12287的物理地址。

例2：

MOVE REG,8192

被轉(zhuǎn)換為

MOVE REG,24576

因為虛擬地址8192在頁2中，而頁2被映射到頁框6(物理地址從24576到28671)

例3：

MOVE REG,20500

被轉(zhuǎn)換為

MOVE REG,12308

虛擬地址20500在虛頁5(虛擬地址范圍是20480到24575)距開頭20個字節(jié)處，虛頁5映射到頁框3(頁框3的地址范圍是 12288到16383)，于是被映射到物理地址12288+20=12308。

通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)置MMU，可以把16個虛頁隱射到8個頁框中的任何一個，但是這個方法并沒有有效的解決虛擬地址空間比物理地址空間大的問題。從上圖中我們可以看到，我們只有8個頁框(物理地址)，但我們有16個頁(虛擬地址)，所以我們只能把16個頁中的8個進(jìn)行有效的映射。我們看看例4會發(fā)生什么情況

MOV REG,32780

虛擬地址32780落在頁8的范圍內(nèi)，從上圖總我們看到頁8沒有被有效的進(jìn)行映射(該頁被打上X)，這是又會發(fā)生什么?MMU注意到這個頁沒有被映射，于是通知CPU發(fā)生一個缺頁故障(page fault).這種情況下操作系統(tǒng)必須處理這個頁故障，它必須從8個物理頁框中找到1個當(dāng)前很少被使用的頁框并把該頁框的內(nèi)容寫入外圍存儲器(這個動作被稱為page copy)，隨后把需要引用的頁(例4中是頁8)映射到剛才釋放的頁框中(這個動作稱為修改映射關(guān)系)，然后從新執(zhí)行產(chǎn)生故障的指令(MOV REG,32780)。假設(shè)操作系統(tǒng)決定釋放頁框1，那么它將把虛頁8裝入物理地址的4-8K,并做兩處修改：首先把標(biāo)記虛頁1未被映射(原來虛頁1是被影射到頁框1的)，以使以后任何對虛擬地址4K到8K的訪問都引起頁故障而使操作系統(tǒng)做出適當(dāng)?shù)膭幼?這個動作正是我們現(xiàn)在在討論的)，其次他把虛頁8對應(yīng)的頁框號由X變?yōu)?，因此重新執(zhí)行MOV REG,32780時，MMU將把32780映射為4108。