ARM存儲(chǔ)器之：存儲(chǔ)管理單元MMU

15.5存儲(chǔ)管理單元MMU

在創(chuàng)建多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，最好有一個(gè)簡(jiǎn)單的方式來(lái)編寫(xiě)、裝載及運(yùn)行各自獨(dú)立的任務(wù)。目前大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)不再使用自己定制的控制系統(tǒng)，而使用操作系統(tǒng)來(lái)簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程。較高級(jí)的操作系統(tǒng)采用基于硬件的存儲(chǔ)管理單元MMU來(lái)實(shí)現(xiàn)上述操作。

MMU提供的一個(gè)關(guān)鍵服務(wù)是使各個(gè)任務(wù)作為各自獨(dú)立的程序在其自己的私有存儲(chǔ)空間中運(yùn)行。在帶MMU的操作系統(tǒng)控制下，運(yùn)行的任務(wù)無(wú)須知道其他與之無(wú)關(guān)的任務(wù)的存儲(chǔ)需求情況，這就簡(jiǎn)化了各個(gè)任務(wù)的設(shè)計(jì)。

MMU提供了一些資源以允許使用虛擬存儲(chǔ)器（將系統(tǒng)物理存儲(chǔ)器重新編址，可將其看成一個(gè)獨(dú)立于系統(tǒng)物理存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間）。MMU作為轉(zhuǎn)換器，將程序和數(shù)據(jù)的虛擬地址（編譯時(shí)的連接地址）轉(zhuǎn)換成實(shí)際的物理地址，即在物理主存中的地址。這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程允許運(yùn)行的多個(gè)程序使用相同的虛擬地址，而各自存儲(chǔ)在物理存儲(chǔ)器的不同位置。

這樣存儲(chǔ)器就有兩種類(lèi)型的地址：虛擬地址和物理地址。虛擬地址由編譯器和連接器在定位程序時(shí)分配；物理地址用來(lái)訪問(wèn)實(shí)際的主存硬件模塊（物理上程序存在的區(qū)域）。

15.5.1MMU概述

內(nèi)存管理單位MMU對(duì)處理器內(nèi)存提供了很好的管理。這種管理主要是通過(guò)一個(gè)叫作傳輸表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)傳輸表存在于內(nèi)存中，它有多個(gè)稱(chēng)為Entry的入口，每個(gè)入口定義了存儲(chǔ)空間的一個(gè)頁(yè)，頁(yè)的大小從1KB到1MB，同時(shí)定義了這些頁(yè)的屬性。

ARM系統(tǒng)中，MMU主要完成以下工作：

①虛擬存儲(chǔ)空間到物理存儲(chǔ)空間的映射，它能夠?qū)崿F(xiàn)從虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換；

②存儲(chǔ)器訪問(wèn)權(quán)限的控制；

③設(shè)置虛擬存儲(chǔ)空間的緩存特性。

MMU通過(guò)它的協(xié)處理器寄存器來(lái)確定傳輸表在內(nèi)存中的位置，并通過(guò)這些寄存器來(lái)向ARM處理器提供內(nèi)存訪問(wèn)錯(cuò)誤信息。

從虛擬地址到物理地址的變換過(guò)程是查詢(xún)傳輸表的過(guò)程，由于傳輸表放在內(nèi)存中，這個(gè)查詢(xún)過(guò)程通常代價(jià)很大。這個(gè)訪問(wèn)時(shí)間通常是1～2個(gè)內(nèi)存周期。為了減少平均內(nèi)存訪問(wèn)時(shí)間，ARM結(jié)構(gòu)體系中采用一個(gè)容量更?。ㄍǔ?～16個(gè)字）、訪問(wèn)速度和CPU中通用寄存器相當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)器件來(lái)存放當(dāng)前訪問(wèn)需要的地址變換條目，它是一個(gè)小容量的Cache。這個(gè)小容量的頁(yè)表Cache稱(chēng)為T(mén)LB（TranslationLookasideBuffer）。

MMU可以將整個(gè)存儲(chǔ)空間分為最多16個(gè)域（domain）。每個(gè)域?qū)?yīng)一定的內(nèi)存區(qū)域，該內(nèi)存區(qū)域具有相同的訪問(wèn)控制屬性。MMU中寄存器c3用于控制與域有關(guān)的屬性配置。

表15.20列出了與MMU有關(guān)的協(xié)處理器寄存器及其作用。

表15.20 與MMU有關(guān)的協(xié)處理器寄存器

15.5.2MMU與MPU

在ARM體系結(jié)構(gòu)中，MMU將MPU的功能大大地增加，使系統(tǒng)內(nèi)存管理更加靈活、方便。在MPU中引入了“域”的概念來(lái)管理內(nèi)存，而且域是在專(zhuān)用寄存器中設(shè)置的。而MMU將域設(shè)置從寄存器移到了內(nèi)存單位，這樣使域的設(shè)置更加靈活，但同時(shí)也增加了系統(tǒng)訪問(wèn)時(shí)間。

另外，除了提供內(nèi)存保護(hù)功能外，MMU還增加了虛擬地址到物理地址的映射。在只有MPU的系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)被編譯和運(yùn)行在彼此不同的、固定的主存地址空間，每個(gè)任務(wù)只能在一個(gè)進(jìn)程空間中運(yùn)行，任何兩個(gè)任務(wù)都不能在主存中有重疊地址。為了運(yùn)行一個(gè)任務(wù)，一個(gè)保護(hù)區(qū)域被設(shè)置在固定地址的程序上，以允許任務(wù)訪問(wèn)由該區(qū)域定義的一段存儲(chǔ)空間。保護(hù)區(qū)域的放置使得該任務(wù)得以運(yùn)行，而其他任務(wù)空間被保護(hù)。

而使用MMU中虛擬地址到物理地址的映射功能，即使任務(wù)被編譯、連接、運(yùn)行在主存中有重疊地址的區(qū)域中，它們?nèi)匀豢梢赃\(yùn)行。MMU中對(duì)虛存的支持可使構(gòu)建后的嵌入式系統(tǒng)具有多個(gè)虛擬存儲(chǔ)映射和單個(gè)物理存儲(chǔ)器映射。每個(gè)任務(wù)擁有自己的虛擬存儲(chǔ)器映射，以編譯和連接組成此任務(wù)的代碼和數(shù)據(jù)。內(nèi)核層管理各個(gè)任務(wù)在物理存儲(chǔ)器中的放置，使得它們?cè)谖锢泶鎯?chǔ)器中擁有彼此不同的地址，這個(gè)地址與其設(shè)計(jì)時(shí)的虛擬運(yùn)行地址不一樣。

15.5.3內(nèi)存訪問(wèn)過(guò)程

當(dāng)處理器產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)存訪問(wèn)請(qǐng)求時(shí)，將傳輸一個(gè)虛擬地址給MMU，MMU首先遍歷TLB（如果使用分離的存儲(chǔ)系統(tǒng)，它將分別遍歷數(shù)據(jù)TLB和指令TLB）。如果TLB中不保護(hù)虛擬地址入口（Entry），那么它將轉(zhuǎn)入保存在內(nèi)存中的傳輸主表，來(lái)獲得所有訪問(wèn)地址的物理地址和訪問(wèn)權(quán)限。一旦訪問(wèn)成功，它將新的虛擬地址入口（Entry）信息保存在TLB中，以備下次查詢(xún)使用。

當(dāng)?shù)玫搅说刂纷儞Q入口（Entry）后，將進(jìn)行以下操作：

①根據(jù)入口（Entry）中的C（cachable）控制位和B（Bufferable）控制位決定是否緩存該內(nèi)存訪問(wèn)結(jié)果。

②根據(jù)訪問(wèn)權(quán)限控制位和域訪問(wèn)控制位確定該內(nèi)存訪問(wèn)是否被允許。如果該內(nèi)存訪問(wèn)不被允許，CP15向ARM處理器報(bào)告存儲(chǔ)訪問(wèn)中止。

③對(duì)應(yīng)不允許緩存的存儲(chǔ)訪問(wèn)，直接得到物理地址訪問(wèn)內(nèi)存。對(duì)于允許緩存的存儲(chǔ)訪問(wèn)，如果在Cache命中，則忽略物理地址；如果Cache沒(méi)有命中，則使用物理地址訪問(wèn)內(nèi)存，并把該數(shù)據(jù)塊讀到Cache中。

圖15.23為帶Cache的MMU存儲(chǔ)訪問(wèn)示意圖。

圖15.23帶Cache的MMU存儲(chǔ)訪問(wèn)示意圖