ARM存儲器之：存儲管理單元MMU
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下面的例子顯示了一個使TLB無效的過程。
【例】一個使TLB無效的過程。
MOVr1，0；
MCRp15，0，r1，c8，c7，0
（2）鎖定TLB
由于對TLB表的查詢經(jīng)常會使系統(tǒng)訪問內(nèi)存（要查詢的段、頁不在TLB中），這就使得系統(tǒng)的平均訪問時間大大增加。對于實時系統(tǒng)，就需要將一些關(guān)鍵的頁表項鎖定在訪問速度相對較快的TLB中。
ARM920T、ARM922T、ARM926EJ-S、ARM1022E和ARM1026EJ-S內(nèi)核版本支持TLB轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的鎖定。如果TLB中的某一行是鎖定的，則當(dāng)TLB清除命令發(fā)出時，它仍然保留在TLB中。
與TLB鎖定相關(guān)的操作可以通過對CP15寄存器r10編程來實現(xiàn)。
各種ARM核的可用鎖定命令如表15.31所示。
表15.31 訪問TLB鎖定寄存器的命令
命令 | MCR指令 | Rd的值 | 支持的內(nèi)核 |
讀數(shù)據(jù)TLB鎖定寄存器 | MRCp15，0，Rd，c10，c0，0 | TLB鎖定 | ARM920T、ARM922T、ARM926EJ-S、ARM1022E、ARM1026EJ-S、StrongARM、Xscale |
寫數(shù)據(jù)TLB鎖定寄存器 | MCRp15，0，Rd，c10，c7，1 | TLB鎖定 | ARM920T、ARM922T、ARM926EJ-S、ARM1022E、ARM1026EJ-S、StrongARM、Xscale |
讀指令TLB鎖定寄存器 | MRCp15，0，Rd，c8，c5，0 | TLB鎖定 | ARM920T、ARM922T、ARM926EJ-S、ARM1022E、ARM1026EJ-S、StrongARM、Xscale |
寫指令TLB鎖定寄存器 | MCRp15，0，Rd，c8，c5，1 | TLB鎖定 | ARM920T、ARM922T、ARM926EJ-S、ARM1022E、ARM1026EJ-S、StrongARM、Xscale |
其中Rd的格式如圖15.35所示。
圖15.35Rd格式詳解
其中，
·W=log2N，N為TLB中入口（entry）的個數(shù)。對ARM920T、ARM922T、ARM926EJ-S、ARM1022E版本的內(nèi)核來講，W=6；而對于ARM1026EJ-S內(nèi)核版本，W=3。
·victm位域：確定下次被換出的TLB入口（entry）。
·base位域：從第0個入口（entry）到base−1入口的TLB值，被鎖定。
鎖定TLB中N條地址入口的操作序列如下。
①確保在整個鎖定過程中不會發(fā)生異常中斷，可以通過禁止中斷等方法實現(xiàn)。
②如果鎖定的是指令TLB或指令/數(shù)據(jù)統(tǒng)一的TLB，將base=N、victim=N、P=0寫入寄存器c10。
③使整個將要鎖定的TLB無效。
④如果要鎖定指令TLB，確保與鎖定過程有關(guān)的指令地址變換地址入口已經(jīng)加載到指令TLB中。
| 注意 | 在此過程中，TLB的一個地址變換入口可以涵蓋所有與鎖定TLB相關(guān)的指令。這通常是由使整個TLB無效后的第一條指令實現(xiàn)的。 |
如果要鎖定的是數(shù)據(jù)TLB，確保與鎖定過程有關(guān)的數(shù)據(jù)地址變換地址入口已經(jīng)加載到數(shù)據(jù)TLB中。
| 注意 | 在此過程中避免使用內(nèi)嵌語法（inlineliteral）。所有鎖定TLB用到的數(shù)據(jù)可以被TLB中一個地址變換條目所覆蓋。 |
如果系統(tǒng)使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)TLB和指令TLB，上述兩條都要保證。
⑤對于I=0到N，重復(fù)執(zhí)行下列操作：
·將base=I、victim=I、P=1寫入寄存器c10中；
·將每一條想要鎖定到TLB的變換地址入口讀取到TLB中。對于數(shù)據(jù)TLB和數(shù)據(jù)/指令統(tǒng)一的TLB可以使用LDR指令讀取一個涉及該變換地址入口的數(shù)據(jù)，將該地址變換入口讀取到TLB中。對于指令TLB，通過操作寄存器c7，將相應(yīng)的變換地址讀取到指令TLB中。
⑥將base=N、victim=N、P=0寫入寄存器c10中。
要解除TLB中被鎖定的變換地址入口，可以使用下面的操作序列。
①通過操作寄存器c8，使TLB中各被鎖定的變換地址入口無效。
②將base=0、victim=0、P=0寫入寄存器c10中。
15.5.8存儲訪問失效
ARM中有兩種存儲訪問失效（Fault）可以導(dǎo)致處理器停止執(zhí)行。
·MMU失效（MMUFault）：由MMU檢測到失效（Fault）并通知處理器。
·外部存儲器訪問中止（ExternalAbort）：由外部存儲器向存儲器報告無效的存儲器訪問請求。
上述兩種情況統(tǒng)稱為存儲訪問中止（Abort）。如果存儲訪問中止發(fā)生在數(shù)據(jù)訪問周期，CPU將產(chǎn)生數(shù)據(jù)訪問中止異常中斷（DataAbort）；如果存儲訪問發(fā)生在指令預(yù)取周期，當(dāng)該指令執(zhí)行時，CPU產(chǎn)生指令預(yù)取異常中斷（PrefetchAbort）。
| 注意 | 預(yù)取指令時發(fā)生錯誤，只有當(dāng)該指令執(zhí)行時，CPU才會產(chǎn)生指令預(yù)取異常中斷。 |
（1）MMU失效
MMU可以產(chǎn)生4種類型的訪問失效，分別是：
·地址對齊失效（AlignmentFault）；
·地址變換失效（TranslationFault）；
·域控制失效（DomainFault）；
·訪問權(quán)限控制失效（PermissionFault）。
存儲系統(tǒng)可以中止3種類型的存儲訪問：
·Cache行預(yù)?。╨inefetch）；
·無Cache和寫緩存的存儲器訪問（uncachedorunbufferedaccesses）；
·傳輸表訪問（translationtableaccesses）。
MMU失效優(yōu)先于外部存儲器訪問中止請求。當(dāng)存儲訪問失效發(fā)生時，系統(tǒng)控制協(xié)處理器中有兩個寄存器分別負(fù)責(zé)保存發(fā)生中止的失效狀態(tài)和地址。
| 注意 | 如果一條指令在預(yù)取階段發(fā)生錯誤，它仍將進入指令流水線，直到該條指令被執(zhí)行時，預(yù)取異常才發(fā)生。但當(dāng)預(yù)取錯誤指令在進入執(zhí)行階段前，指令發(fā)生跳轉(zhuǎn)，那么該預(yù)取異常不會發(fā)生，協(xié)處理器錯誤寄存器的狀態(tài)也不會被更新。 |
（2）MMU中與存儲訪問失效相關(guān)的寄存器
MMU中與存儲訪問失效相關(guān)的寄存器有兩個：
·失效狀態(tài)寄存器（FSR，F(xiàn)aultStatusRegister）；
·失效地址寄存器（FAR，F(xiàn)aultAddressRegister）。
失效狀態(tài)寄存器是協(xié)處理器寄存器c5。失效地址寄存器為協(xié)處理器寄存器c6。
當(dāng)存儲訪問失效發(fā)生時，失效狀態(tài)寄存器中的字段被更新以反映所發(fā)生的存儲訪問失效的相關(guān)的信息，包括存儲訪問所屬的域以及存儲訪問的類型。同時存儲訪問失效的虛擬地址被保存到地址寄存器c6中。
在數(shù)據(jù)訪問周期發(fā)生存儲訪問失效更新了失效狀態(tài)寄存器后，如果系統(tǒng)尚未進入存儲異常模式，這時發(fā)生了指令預(yù)取引起的存儲失效，則該指令預(yù)取引起的訪問失效將不會更新失效狀態(tài)寄存器的值。這樣就保證了數(shù)據(jù)訪問周期發(fā)生的存儲訪問失效狀態(tài)信息不會被指令預(yù)取周期發(fā)生的存儲訪問失效破壞。
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