MMU和cache学习
1.????? MMU
MMU：memory management unit，稱為內(nèi)存管理單元，或者是存儲(chǔ)器管理單元，MMU是硬件設(shè)備，它被保存在主存(main memory)的兩級(jí)也表控制，并且是由協(xié)處理器CP15的寄存器1的M位來決定是enabled還是disabled。MMU的主要作用是負(fù)責(zé)從CPU內(nèi)核發(fā)出的虛擬地址到物理地址的映射，并提供硬件機(jī)制的內(nèi)存訪問權(quán)限檢查。MMU使得每個(gè)用戶進(jìn)程擁有自己的地址空間(對(duì)于WINCE5.0，每個(gè)進(jìn)程是32MB;而對(duì)于WINCE6.0，每個(gè)進(jìn)程的獨(dú)占的虛擬空間是2GB)，并通過內(nèi)存訪問權(quán)限的檢查保護(hù)每個(gè)進(jìn)程所用的內(nèi)存不被其他進(jìn)程破壞。
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下面是MMU提供的功能和及其特征
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2.????? VA和PA
VA：virtual address稱為虛擬地址，PA：physical address稱為物理地址。CPU通過地址來訪問內(nèi)存中的單元，如果CPU沒有MMU，或者有MMU但沒有啟動(dòng)，那么CPU內(nèi)核在取指令或者訪問內(nèi)存時(shí)發(fā)出的地址(此時(shí)必須是物理地址，假如是虛擬地址，那么當(dāng)前的動(dòng)作無效)將直接傳到CPU芯片的外部地址引腳上，直接被內(nèi)存芯片(物理內(nèi)存)接收，這時(shí)候的地址就是物理地址。如果CPU啟用了MMU(一般是在bootloader中的eboot階段的進(jìn)入main()函數(shù)的時(shí)候啟用)，CPU內(nèi)核發(fā)出的地址將被MMU截獲，這時(shí)候從CPU到MMU的地址稱為虛擬地址，而MMU將這個(gè)VA翻譯成為PA發(fā)到CPU芯片的外部地址引腳上，也就是將VA映射到PA中。MMU將VA映射到PA是以頁(page)為單位的，對(duì)于32位的CPU，通常一頁為4k，物理內(nèi)存中的一個(gè)物理頁面稱頁為一個(gè)頁框(page frame)。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。
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3.????? VA到PA的映射過程
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首先將CPU內(nèi)核發(fā)送過來的32位VA[31:0]分成三段，前兩段VA[31:20]和VA[19:12]作為兩次查表的索引，第三段VA[11:0]作為頁內(nèi)的偏移，查表的步驟如下：
⑴從協(xié)處理器CP15的寄存器2(TTB寄存器，translation table base register)中取出保存在其中的第一級(jí)頁表(translation table)的基地址，這個(gè)基地址指的是PA，也就是說頁表是直接按照這個(gè)地址保存在物理內(nèi)存中的。
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⑵以TTB中的內(nèi)容為基地址，以VA[31:20]為索引值在一級(jí)頁表中查找出一項(xiàng)(2^12=4096項(xiàng))，這個(gè)頁表項(xiàng)(也稱為一個(gè)描述符，descriptor)保存著第二級(jí)頁表(coarse page table)的基地址，這同樣是物理地址，也就是說第二級(jí)頁表也是直接按這個(gè)地址存儲(chǔ)在物理內(nèi)存中的。
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⑶以VA[19:12]為索引值在第二級(jí)頁表中查出一項(xiàng)(2^8=256)，這個(gè)表項(xiàng)中就保存著物理頁面的基地址，我們知道虛擬內(nèi)存管理是以頁為單位的，一個(gè)虛擬內(nèi)存的頁映射到一個(gè)物理內(nèi)存的頁框，從這里就可以得到印證，因?yàn)椴楸硎且皂摓閱挝粊聿榈摹?/span>
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⑷有了物理頁面的基地址之后，加上VA[11:0]這個(gè)偏移量(2^12=4KB)就可以取出相應(yīng)地址上的數(shù)據(jù)了。
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這個(gè)過程稱為Translation Table Walk，Walk這個(gè)詞用得非常形象。從TTB走到一級(jí)頁表，又走到二級(jí)頁表，又走到物理頁面，一次尋址其實(shí)是三次訪問物理內(nèi)存。注意這個(gè)“走”的過程完全是硬件做的，每次CPU尋址時(shí)MMU就自動(dòng)完成以上四步，不需要編寫指令指示MMU去做，前提是操作系統(tǒng)要維護(hù)頁表項(xiàng)的正確性，每次分配內(nèi)存時(shí)填寫相應(yīng)的頁表項(xiàng)，每次釋放內(nèi)存時(shí)清除相應(yīng)的頁表項(xiàng)，在必要的時(shí)候分配或釋放整個(gè)頁表。
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4.????? CPU訪問內(nèi)存時(shí)的硬件操作順序
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CPU訪問內(nèi)存時(shí)的硬件操作順序，各步驟在圖中有對(duì)應(yīng)的標(biāo)號(hào)：
1 CPU內(nèi)核(圖中的ARM)發(fā)出VA請(qǐng)求讀數(shù)據(jù)，TLB(translation lookaside buffer)接收到該地址，那為什么是TLB先接收到該地址呢？因?yàn)?/span>TLB是MMU中的一塊高速緩存(也是一種cache，是CPU內(nèi)核和物理內(nèi)存之間的cache)，它緩存最近查找過的VA對(duì)應(yīng)的頁表項(xiàng)，如果TLB里緩存了當(dāng)前VA的頁表項(xiàng)就不必做translation table walk了，否則就去物理內(nèi)存中讀出頁表項(xiàng)保存在TLB中，TLB緩存可以減少訪問物理內(nèi)存的次數(shù)。
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2 頁表項(xiàng)中不僅保存著物理頁面的基地址，還保存著權(quán)限和是否允許cache的標(biāo)志。MMU首先檢查權(quán)限位，如果沒有訪問權(quán)限，就引發(fā)一個(gè)異常給CPU內(nèi)核。然后檢查是否允許cache，如果允許cache就啟動(dòng)cache和CPU內(nèi)核互操作。
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3 如果不允許cache，那直接發(fā)出PA從物理內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)到CPU內(nèi)核。
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4 如果允許cache，則以VA為索引到cache中查找是否緩存了要讀取的數(shù)據(jù)
，如果cache中已經(jīng)緩存了該數(shù)據(jù)(稱為cache hit)則直接返回給CPU內(nèi)核，如果cache中沒有緩存該數(shù)據(jù)(稱為cache miss)，則發(fā)出PA從物理內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并緩存到cache中，同時(shí)返回給CPU內(nèi)核。但是cache并不是只去CPU內(nèi)核所需要的數(shù)據(jù)，而是把相鄰的數(shù)據(jù)都去上來緩存，這稱為一個(gè)cache line。ARM920T的cache line是32個(gè)字節(jié)，例如CPU內(nèi)核要讀取地址0x30000134~0x3000137的4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，cache會(huì)把地址0x30000120~0x3000137(對(duì)齊到32字節(jié)地址邊界)的32字節(jié)都取上來緩存。
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5.????? ARM920T支持多種尺寸規(guī)格的頁表
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ARM體系結(jié)構(gòu)最多使用兩級(jí)頁表來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，頁表由一個(gè)個(gè)條目組成，每個(gè)條目存儲(chǔ)一段虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址及訪問權(quán)限，或者下一級(jí)頁表的地址。S3C2443最多會(huì)用到兩級(jí)頁表，已段(section，大小為1M)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)只用到一級(jí)頁表，以頁(page)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)用到兩級(jí)頁表。而頁的大小有3種：大頁(large pages，64KB)，小頁(small pages，4KB)和極小頁(tiny pages，1KB)。條目也成為描述符，有段描述符、大頁描述符、小頁描述符和極小頁描述符，分別保存段、大頁、小頁和極小頁的起始物理地址，見下圖
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MMU的查表過程，首先從CP15的寄存器TTB找到一級(jí)頁表的基地址，再把VA[31:20]作為索引值從表中找出一項(xiàng)，這個(gè)表項(xiàng)稱為一級(jí)頁描述符(level one descriptor)，一個(gè)這樣的表項(xiàng)占4個(gè)字節(jié)，那么一級(jí)頁表需要保存的物理內(nèi)存的大小是4*4096=16KB，表項(xiàng)可以是一下四種格式之一：
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⑴如果描述符的最低位是00，屬于fault格式，表示該范圍的VA沒有映射到PA。
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⑵如果描述符的最低位是10，屬于section格式，這種格式?jīng)]有二級(jí)頁表而是直接映射到物理頁面，一個(gè)色彩體哦你是1M的大頁面，描述符中的VA[31:20]就是這個(gè)頁面的基地址，基地址的VA[19:0]低位全為0，對(duì)齊到1M地址邊界，描述符中的domain和AP位控制訪問權(quán)限，C、B兩位控制緩存。
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⑶如果描述符的最低兩位是01或11，則分別對(duì)應(yīng)兩種不同規(guī)格的二級(jí)頁表。根據(jù)地址對(duì)齊的規(guī)律想一下，這兩種頁表分別是多大？從一級(jí)描述符中取出二級(jí)頁表的基地址，再把VA的一部分作為索引去查二級(jí)描述符(level two descriptor)，如果是coarse page，則VA[19:12](2^8=256)作為查找二級(jí)頁表表項(xiàng)的索引；如果是fine page，則VA[19:10](2^10=024)。二級(jí)描述符可以是下面四種格式之一：
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二級(jí)描述符最低兩位是00是屬于fault格式，其它三種情況分別對(duì)應(yīng)三種不同規(guī)格的物理頁面，分別是large page(64KB)、small page(4KB)和tiny page(1KB)，其中large page和small page有4組AP權(quán)限位，每組兩個(gè)bit，這樣可以為每1/4個(gè)物理頁面分別設(shè)置不同的權(quán)限，也就是說large page可以為每16KB設(shè)置不同的權(quán)限，small page可以為每1KB設(shè)置不同的權(quán)限。
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ARM920T提供了多種頁表和頁面規(guī)格，但操作系統(tǒng)只采用其中一種，WINCE采用的就是一級(jí)描述符是coarse page table格式(也即由VA[19:12]來作為查找二級(jí)頁表項(xiàng)的索引)，二級(jí)描述符是small page格式(也即是VA[11:0]來作為查找物理頁面偏移量的索引)，每個(gè)物理頁面大小是4KB。
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根據(jù)上圖我們來分析translation table walk的過程
⑴VA被劃分為三段用于地址映射過程，各段的長(zhǎng)度取決于頁描述符的格式。
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⑵TTB寄存器中只有[31:14]位有效，低14位全為0，因此一級(jí)頁表的基地址對(duì)齊到16K地址邊界，而一級(jí)頁表的大小也是16K。
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⑶一級(jí)頁表的基地址加上VA[31:20]左移兩位組成一個(gè)物理地址。想一想為什么VA[31:20]要左移兩位占據(jù)[13:2]的位置，而空出[1:0]兩位呢？應(yīng)該是需要空出最低兩位用于表示當(dāng)前要尋找的一級(jí)描述符是coarse page格式，目前不清楚，有待了解。
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⑷用這個(gè)組裝的物理地址從物理內(nèi)存中讀取一級(jí)頁表描述符，這是一個(gè)coarse page table格式的描述符。
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⑸通過domain權(quán)限檢查后，coarse page table的基地址再加上VA[19:12]左移兩位組裝成一個(gè)物理地址。
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⑹用這個(gè)組裝的物理地址從物理內(nèi)存中讀取二級(jí)頁表描述符，這是一個(gè)small page格式的描述符。
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⑺通過AP權(quán)限檢查后，small page的基地址再加上VA[11:0]就是最終的物理地址了。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的MMU和cache学习的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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