（亚嵌）ARM920T的MMU与Cache之MMU

MMU

    我们已经简单了解了一下查页表的过程，实际上ARM920T支持多种尺寸规格的页表，图 9 “Translation Table Walk”所示的只是其中一种情况。下图示意了所有可能的情况（本节的图表均摘自[S3C2410用户手册]）。

    图 11. 查页表的过程

    回顾一下查表的过程，首先从CP15的TTB寄存器找到一级页表的基地址，再把VA[31:20]作为索引从表中找出一项，这个表项称为一级页描述符（Level 1 Descriptor），一个这样的表项占4个字节，可以是以下四种格式之一：

    图 12. 一级页描述符

    如果描述符的最低两位是00，属于Fault格式，表示该范围的VA没有映射到PA。如果描述符的最低两位是10，属于Section格式，这种格式没有二级页表而是直接映射到物理页面，一个Section是1M的大页面，描述符中[31:20]位就是这个页面的基地址，基地址的[19:0]低位全为0，对齐到1M地址边界，描述符中的Domain和AP位控制访问权限，C、B两位控制缓存，后面再详细解释每个位的含义。如果描述符的最低两位是01或11，则分别对应两种不同规格的二级页表。根据地址对齐的规律想一下，这两种页表分别是多大？从一级描述符中取出二级页表的基地址，再把VA的一部分作为索引去查二级描述符（Level 2 Descriptor）（如果是Coarse Page Table则VA[19:12]是索引，如果是Fine Page Table则VA[19:10]是索引），二级描述符可以是以下四种格式之一：

    图 13. 二级页描述符

    描述符最低两位是00属于Fault格式，其它三种情况分别对应三种不同规格的物理页面。Large Page和Small Page有四组AP权限位，每组两个bit，这样可以为每1/4个物理页面分别设置不同的权限，也就是说，Large Page可以为每16K设置不同的权限，Small Page可以为每1K设置不同的权限。

    ARM920T提供了多种页表和页面规格，但操作系统只采用其中一种，Linux采用的就是图 9 “Translation Table Walk”所示的规格，一级描述符是Coarse Page Table格式，二级描述符是Small Page格式，每个物理页面4K。我们以此为例，结合前面的的解释和页描述符的格式，再看一下Translation Table Walk的详细过程：

    图 14. Translation Table Walk的详细过程

    从上到下依次解释如下：

    1 VA被划分为三段用于地址映射过程，各段的长度取决于页描述符的格式。

    2 TTB寄存器中只有[31:14]位有效，低14位全为0，因此一级页表的基地址对齐到16K地址边界，而一级页表的大小也是16K。

    3 一级页表的基地址加上VA[31:20]左移两位组装成一个物理地址。想一想为什么VA[31:20]要左移两位占据[13:2]的位置，而空出[1:0]两位呢？

    4 用这个组装的物理地址从物理内存中读取一级页描述符，这是一个Coarse Page Table格式的描述符。

    5 通过Domain权限检查后，Coarse Page Table的基地址再加上VA[19:12]左移两位组装成一个物理地址。

    6 用这个组装的物理地址从物理内存中读取二级页描述符，这是一个Small Page格式的描述符。

    7 通过AP权限检查后，Small Page的基地址再加上VA[11:0]就是最终的物理地址。想一想为什么这次不左移两位了呢？

    下面解释一下Domain和AP位。CP15的Domain访问控制寄存器（见表 1 “CP15协处理器的寄存器列表”寄存器3）表示了16个Domain，每两位表示一个Domain的访问权限，以下是该寄存器的格式：

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    图 15. Domain Access Control Register

    每个Domain的两个位可以取值为00、01、10或11，如果取值为00或10则表示该Domain不可访问，如果取值为01则表示访问该Domain需要进一步检查AP位，如果取值为11则表示可以直接访问该Domain而无需检查AP位。回想一下，一级页描述符中的Domain字段由4个位组成，可以有16个不同的取值，就表示该描述符所描述的二级页表或Section属于这16个Domain中的哪一个。快速上下文切换、Domain和多种规格的页表是ARM特有的机制，是针对嵌入式系统软件的特点而设计的，其它处理器不一定有类似的机制，例如也许没有Domain和快速上下文切换的概念，也许只有一种规格的页表。为了能够在多种不同的平台上移植，Linux内核代码不会利用ARM特有的这些机制。除了这些特例之外，我们在这里介绍的其它机制都具有普遍性，读者应重点把握具有普遍意义的基本原理和基本概念。

    CP15的控制寄存器（见表 1 “CP15协处理器的寄存器列表”寄存器1）中的S和R位与页描述符的AP位合在一起决定访问权限，如下所示：

    图 16. AP权限检查

    可见，同样的AP、S、R位对用户模式和特权模式来说具有不同的意义，特权模式的权限都不低于用户模式的权限。最后将各种由内存访问产生的异常总结如下：

    Alignment Fault——以Word为单位的数据访问指令地址未对齐到4字节边界，或者以Half Word为单位的数据访问指令地址未对齐到2字节边界。

    Translation Fault——页描述符的[1:0]为00，属于Fault格式，无效表项。

    Domain Fault——一级页描述符或Section所属Domain的权限位为00或10。

    Permission Fault——根据AP位和CP15寄存器1的S、R位检查访问权限，若所属Domain的权限位为11则跳过这一步检查。

    External Abort——总线异常，例如此物理地址上没有挂RAM芯片，或者其它硬件故障。

    思考与练习

    1 从VA到PA的映射为什么要采用多级页表的方式？如果只有一级页表，那么一次寻址就只需两次访问物理内存的操作（一次是页表，一次是物理页面），不是比多级页表更快吗？

    2 多个进程可以共享同一段物理内存，比如两个bash进程共享同一个bash代码段，比如所有进程共享libc代码段，这是怎么实现的？

    3 用户进程不能访问属于内核的地址空间，否则会出段错误，这是怎么实现的？