（六）、MMU的使用

MMU（Memory Management Unit）内存管理单元，它负责虚拟地址到物理地址的映射，并提供硬件机制的内存条件检查。

以前的程序是很小的，可以全部装入内存中运行，而随着技术的发展，出现下面两个问题：

1.       有的程序很大，它所要求的运行空间大于了物理内存的容量；

2.       多任务系统中需要同时执行多个程序，这些程序的内存总数超过了物理内存的总量；

实际上，一个程序在运行之前，没有必要将整个程序全部装入内存，而是将当前要运行的程序装入内存，其余的部分需要用的时候再装入内存，而当内存容量耗尽时，将暂时不用的部分调入磁盘，这样就可以实现一个大的程序在小的内存空间中运行，也可以实现多任务程序同时运行。这就是虚拟存储器的实现过程。类似于我们在PC机上所说的虚拟内存。这一章涉及的概念很多，请大家反复阅读并查阅后面我提到的参考资料。 

、地址的分类及相关概念

l  对于S3C2440来说，它有27条地址线，再加上它有nGCS0---nGCS7，8个片选，实际上它的寻址能力可以达到1GB（0---0x4000 0000）。

l  虚拟存储器从逻辑上对内存的容量进行了扩充，S3C2440是32位CPU，因此，对应的虚拟地址范围是0----0xFFFFFFFF，这部分被称为虚拟地址空间，其中的某个地址被称为虚拟地址。

l  虚拟地址（VA,virtual Address）、变换后的虚拟地址（MVA,Modified Virtual Address）、物理地址（PA,Physical Address）。

l  页表（Page Table）：在虚拟地址转换到物理地址时，通常是用表格来存储虚拟地址所对应的物理地址和访问权限，这个表格就称为页表，页表是由的一个个条目（也称为页表项，Entry）组成的。

在没有启动MMU的时候，所有的部件（CPU、Cache、MMU、外设）都使用的是物理地址，访问的是物理内存空间。启动MMU后，CPU发出的是VA，经过CP15协处理器的C13寄存器转化为MVA（硬件自动完成）供Cache、MMU使用，最后经过映射，变成PA，用PA来访问实际的设备。

CP15协处理器的作用比较复杂，我在这里就不一一列出了，建议大家参考手册（ARM920T　P29页），如果疑问，希望大家和我交流。

、地址映射的方式

S3C2440　CPU采用页表（Page Table）的方法进行地址映射，最多支持两级页表以对应不同的映射方式：

Ø  段（Section）的方式映射：只采用一级页表即可。段大小为1MB。

Ø  页（Page）的方式映射：就要采用二级页表。页大小分为三种：大页（Large Page）64KB，小页（Small Page）4KB，极小页（Tiny Page）1KB。

、地址映射的过程（以段的方式）

S3C2440支持段、页两种方式的地址映射，这里我只介绍一下段的映射过程，页方式映射过程和段的方式类似，具体映射过程详见参考资料。下图为S3C2440的两种方式的地址转换过程图。

其中TTB　base代表一级页表基址，将它写入CP15的C2寄存器（页表基址寄存器）即可。一级页表的地址必须是16K对齐的。上面提到了虚拟地址空间的大小为4GB，而段的大小为1MB，那么，如果按段的方式映射，一级页表中就会有4096个描述符（段描述符），存放的是物理段的起始地址；如果按页的方式映射一级页表里面存放的就是4096个二级页表项。

如下图所示，使用

MVA[31：20]来索引一级页表项，即得到一个描述符（段描述符），每个描述符占4个字节。如下图。

根据其最低两位来区别描述符的类型：

1)        0b00：无效。

2)        0b01：粗页表。共有256个条目，每个条目表示大小4KB，共1MB。

3)        0b10：段描述符。其中[31：20]为段基址，其低20位填充0就是一块1MB大小的物理地址空间的起始地址。利用MVA[19:0]来在这1MB的空间寻址。由描述符的[31：20]和MVA的[19：0]构成了虚拟地址所对应的物理地址。

以段的方式进行地址映射过程如下图：

A.        TTB的[31：14]和MVA的[31：20]组成一个低两位为0的32位地址，MMU利用这个地址找到段描述符。

B.        取出段描述符的位[31：20]------即段基址，它和MVA的[19：0]组成一个32位的物理地址，这就是MVA对应的PA。

4)        0b11：细页表。共有1024个条目，每个1KB，总大小也为1MB。

MMU除了进行地址映射外，还有一项重要的工作就是：内存访问权限的检查。简单的说就是检查一块内存是否可读、可写。这也是带MMU的CPU的“高级”之处，大家都知道INTER的CPU有实地址模式和保护模式，其功能与此处类似，这样就可以使我们的代码更“安全”的运行。

权限检查是由CP15寄存器C3（域访问控制）、描述符的域（Domain）、CP15的C1寄存器的R/S/A位以级描述符的AP位联合作用。

其中CP15的C1寄存器A位决定是否进行对齐检查。无论MMU是否开启，都可以进行对齐检查。CPU读取指令前不进行对齐检查，以字节为单位访问时也不进行对齐检查。对齐检查在MMU的权限检查、地址映射之前进行。

S3C2440共有16个域，CP15的C3寄存器每两位对应一个域，用来表示这个域是否进行权限检查。具体如下图。

（以段描述符为例）

在段描述符中，有4位的Domain用来表示该段属于哪个域，如0b0000表示属于域0，如果此时域0的权限设置为00，即不可访问，这时如果访问该段内存就会产生“domain fault”；如果域访问权限设为01，则代表使用描述符中的AP位为进行检查。其中AP位要联合CP15的C1寄存器中的R/S位一起来设置。具体内容见手册，在此就不再赘述了。

TLB的使用

CPU有了MMU的部件后，可以使我们从用户的角度上看，内存空间大了许多，同时也可以进行访问权限的检查，这样也安全了许多。但是，访问物理内存的过程也复杂了，如：使用一级页表进行映射时，对内存需进行两次访问，第一次访问一级页表以得到物理内存地址，第二次才是真正在物理内存上进行读、写数据；如果使用二级页表进行映射，那么需要三次访问才可以。这样就大大降低了CPU的使用效率。

出现了以上问题后，人们开发研究，后发现：程序中所用的指令、数据大多数都局限在一个很小的范围内，其中的地址、数据经常多次使用，这也称为“程序的局限性”。因此，我们可以把近期使用页表条目缓存在一个很小的、高速的存储器中，以避免每次都到主内存（物理内存）中去查找，这样就可以大幅度的提高CPU的性能，而这个存储器就是TLB（Translation Lookaside Buffers）。

这样CPU访问内存空间的过程就变成：CPU首先发出虚拟地址，MMU首先访问TLB，如果TLB中有所需要的虚拟地址描述符，则直接利用此描述符进行地址转换和检查；如果TLB中没有找到该描述符，MMU则访问页表找到该描述符进行地址转换和权限检查，并将此描述符填入TLB中以备下次使用，如果TLB已满，则利用round-robin算法找到一个条目，覆盖它。

用法注意：使用TLB时，一定要注意保证TLB中的内容与页表一致。因此，在启动MMU之前，使无效整个TLB，改变页表时，使无效所无改的虚拟地址所对应的TLB中的条目。

Cache和Write Buffer 、Cache的整体绍

正如上面所说，程序是有局限性的，因此利用TLB缓存一些页表中的条目，可以大大增加CPU的使用效率。同样基于程序访问的局限性，在CPU和内存之前增加一个高速、容量相对较小的存储器，把正在执行的指令附近的一些指令和数据从主存调入这个存储器，供CPU在一段时间内使用，这也可以大大提高程序的运行速度。这个介于内存和CPU之间的高速存储器就称为“cache”。

启动Cache后，如果在Cache中找到想要的数据或指令，则直接返回使用；如果没能在Cache中找到，则从内存中读取，并将其存放Cache中，以便下次使用时能在Cache中使用。

启用Cache后，CPU“写”数据时有写穿式（Write Through）和写回式（Write Back）两种：

1.         写穿式：从CPU发出写信号送到Cache的同时，也写入内存，以确保数据同步的更新。

其优点是操作简单，但由于主存的速度较慢，降低了系统的效率和占用总线的时间。

2.         写回式：当CPU写数据时，只是将写信号发送到Cache一级，只更新Cache，并在Cache中设置一标志地址及数据的新旧信息，当Cache的数据换出或清空时，再将数据一次性的写入主存。

S3C2440　CPU内置了16KB的指令Cache（ICache）和16KB的数据Cache（DCache）。

、Write Buffer

　　S3C2440　CPU内置了16-word的数据Buffer和4-address的地址Buffer。可以通过软件设置使其有效。其功能主要是和DCache配合使用。

、Cache的操作

1.         清空：把Cache或者Write Buffer中已将修改的但并未写入内存中的数据写入内存。

2.         使无效：使其不能再使用，但不将数据同步到内存中。

、ICache

ICache和DCache部分我只把需要注意的地方强调一下，具体的操作步骤详见手册。

系统刚上电的时候ICache默认为无效状态，内容为无效，功能是关闭的。向CP15的C1的第12位写1可以启动ICache，ICache一般在MMU启动后开启（MMU未启动也可以开启ICache）。应尽早开启ICache以提高性能。

、DCache和Write Buffer

与ICache一样，刚上电时，DCache的内容也是无效，功能也是关闭的，Write Buffer内容也是无效的。向CP15的C1的第2位写1可以开启DCache，而Write Buffer是配合DCache使用的，自动开启、关闭，无需程序员手动设置。

与TLB类似，使用Cache时需要保证DCache、Write Buffer中的内容和内存中数据的一致性，需要遵循以下两原则：

1.         清空DCache，使得内存中的数据和DCache和Write Buffer中一致。

2.         使无效DCache，使CPU取指时重新读取内存。

使用方法注意：

1.         开启MMU之前，使无效ICache、DCache和Write Buffer。

2.         关闭MMU之前，清空ICache和DCache。

3.         如果代码有变，使无效ICache，以保证CPU取指时重新读取内存。

4.         使用DMA操作可以被Cache的内存时，将内存的数据发送出去时，要清空Cache；将内存的数据读入时，使无效Cache。

5.         改变页表的映射关系时，要重新考虑内存是否被Cache。

6.         开启Cache时要保持Cache和内存的数据一致性。

7.         对于I/O地址空间，不能用Cache，可以使用volatite关键字。

、协处理器的操作指令

{cond}  p#,,Rd,cn,cm{,}

MRC　　　            从协处理器获取数据传给ARM920T　CPU的寄存器；

MCR　　                从ARM920T　CPU寄存器获取数据传给协处理器；

{cond}　　　　　 执行条件，省略时表示无条件执行；

p#　　　　　　　协处理器序号；

　　一个常数；

Rd                            ARM920T　CPU寄存器；

cn和cm　　　　  协处理器的寄存器；

          一个常数。

expression1、expression2 具体数值根据操作对象不同而不同，具体命令详见手册《ARM920T》第二章。

 

、存储器小结

 

存储器类  型	位于哪里	存储容量	半导体工艺	访问时间	如何访问
CPU 寄存器	CPU执行单元中	CPU一般有几个到几十个不等的寄存器，每个寄存器的大小由CPU的字长决定，因此，总大小一般为几十字长到几百字长不等。	“寄存器”这个名字就是一种数字电路的名字，它由一组触发器（Flip-flop）组成，每个触发器保存一个Bit的数据，可以做存取和移位等操作。计算机掉电时寄存器中保存的数据会丢失。	寄存器是访问速度最快的存储器，典型的访问时间是几纳秒。	使用哪个寄存器，如何使用寄存器，这些都是由指令决定的。
Cache	和MMU一样位于CPU核中。	Cache通常分为几级，最典型的是两级Cache，一级Cache更靠近CPU执行单元，二级Cache更靠近物理内存，通常一级Cache有几十到几百KB，二级Cache有几百KB到几MB。	Cache和内存都是由RAM（RandomAccessMemory）组成的，可以根据地址随机访问，计算机掉电时RAM中保存的数据会丢失。不同的是，Cache通常由SRAM（StaticRAM，静态RAM）组成，而内存通常由DRAM（DynamicRAM，动态RAM）组成。DRAM电路比SRAM简单，存储容量可以做得更大，但DRAM的访问速度比SRAM慢。	典型的访问时间是几十纳秒。	Cache缓存最近访问过的内存数据，由于Cache的访问速度是内存的几十倍，所以有效利用Cache可以大大提高计算机的整体性能。一级Cache是这样工作的：CPU执行单元要访问内存时首先发出VA，Cache利用VA查找相应的数据有没有被缓存，如果Cache中有就不需要访问物理内存了，如果是读操作就直接将Cache中的数据传给CPU寄存器，如果是写操作就直接改写到Cache中；如果Cache没有缓存该数据，就去物理内存中取数据，但并不是要哪个字节就取哪个字节，而是把相邻的几十个字节都取上来缓存着，以备下次用到，这称为一个Cache Line，典型的Cache Line大小是32~256字节。如果计算机还配置了二级缓存，则在访问物理内存之前先用PA去二级缓存中查找。一级缓存是用VA寻址的，二级缓存是用PA寻址的，这是它们的区别。Cache所做的工作是由硬件自动完成的，而不是像寄存器一样由指令决定先做什么后做什么。
内存	位于CPU外的芯片，与CPU通过地址和数据总线相连。	典型的存储容量是几百MB到几GB。	由DRAM组成，详见上面关于Cache的说明。	典型的访问时间是几百纳秒。	内存是通过地址来访问的，在启用MMU的情况下，程序指令中的地址是VA，而访问内存用的是PA，它们之间的映射关系由操作系统维护。
硬盘	位于设备总线上，并不直接和CPU相连，CPU通过设备总线的控制器访问硬盘。	典型的存储容量是几百GB到几TB	硬盘由磁性介质和磁头组成，访问硬盘时存在机械运动，磁头要移动，磁性介质要旋转，机械运动的速度很难提高到电子的速度，所以访问速度很受限制。保存在硬盘上的数据掉电后不会丢失。	典型的访问时间是几毫秒，是寄存器访问时间的10^6倍。	由驱动程序操作设备总线控制器去访问。由于硬盘的访问速度较慢，操作系统通常一次从硬盘上读几个页面到内存中缓存起来，如果这几个页面后来都被程序访问到了，那么这一次读硬盘的时间就可以分摊（Amortize）给程序的多次访问了。

CPU经历了32位到64位、一级缓存到三级缓存、单核到多核的转变，内存也由DDR I转变为现在的DDR III，但硬盘的技术却变化不大，这也成为制约现代计算机性能的一个甁颈。

六、实例分析

本章采用韦东山老师的源代码，后面有完整的注释，请大家参照。具体的代码我不一一列出，我会马上传上来，供大家下载。下面我只讲一下需要注意的地方。

本章使用虚拟地址对TQ2440开发板进行操作，将Sdram物理地址0x30000000-0x33FFFFFF映射成虚拟地址0xB0000000-0xB3FFFFFF，将寄存器0x56000000-0x56100000映射成虚拟地址0xA0000000-0xA0100000。

由于32位CPU虚拟地址为4GB，需要4096个描述符，每个描述符占4个字节，因此，一级页表中的4096个描述符本身占16KB，将其存储在虚拟地址0xB0000000-0xB0004000处（对应Sdram中的0x30000000-0x30004000）。

程序采用一级页表，段映射方式。

程序首先执行head.s文件，该文件调用一些函数完成以下功能：关闭看门狗、设置堆栈指针、初始化sdram、代码搬运到sdram中，设置页表、启动MMU、重设栈指针、运行主函数。其调用的函数在init.c文件中实现。

在init.c文件中，mmu_init函数中采用的是C内联汇编的方式，即在C代码中嵌入汇编语言。有的时候需要直接对硬件或某些特殊寄存器来操作，使用汇编语言比C语言效率更高。

C内联汇编：

__asm__

(

assembler template

 : output operands                 /* optional */

 : input operands                  /* optional */

: list of clobbered registers /* optional */

 );

这种格式由四部分组成，第一部分为汇编代码，即使用的指令；第二部分为汇编部分的输出（类似于返回值）；第三部分为汇编语言的输入（类似于C语言中函数的参数）；第四部分为被修改寄存器列表，告诉编译器调用该段代码时，哪些寄存器被修改。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

对照本章的代码，__asm__（）函数中间段为代码段，没有输出段和被修改的寄存器列表，只有一个输入寄存器　“r”=（ttb），这句代码的意思是为C语言传进来的ttb变量分配一个寄存器以便在汇编语言中使用（汇编代码中没有变量的概念，都是由寄存器来操作的），这里对应的寄存器为0%，至于具体使用哪个寄存器，由编译器自行分配。但这里注意：寄存器的编号要对应着后面的输出输入列表，本函数中没有输出段，只有一个输入寄存器，因此对应着0%，如果在输出寄存器处分配一个，那么ttb就对应1%了。

Makefile文件中我已增加了注释，唯一和前几章不同的是使用了链接脚本来进行链接。在大的程序中（以LINUX为例），大多采用链接脚本，这样使Makefile文件看起来简洁，易读性强，同时也可以清晰的从链接脚本看出整个程序的链接过程和运行地址。

Linux环境下的链接脚本采用的是GNU的标准链接，详见链接手册。这里我概括的说一下。

下面我们来分析一下本章的程序链接脚本。

SECTIONS {

  firtst    0x00000000 : { head.o init.o }　　　　//定义第一段的运行地址为0，段中包括head.o和init.o；

  second    0xB0004000 : AT(2048) { leds.o }　　//定义第二段的加载地址为2048而运行地址为0xB0004000内容//为leds.o

}

整个程序韦东山老师都为我们加了详细的注释，理解起来应该不困难，如果有疑问的欢迎大家和我交流。

执行make命令编译本程序，将.bin文件烧写到TQ2440后，可以看见led轮流点亮。对比上一章的实验现象可以发现，这次led变换的速度比上一章要快，这是由于开启了Cache。

1.韦东山　《嵌入式LINUX应用开发完全手册》

2.三星　　《S3C2440手册》

3.ARM　　《ARM920T手册》

4.GNU　　《GNU链接手册》

5.宋劲彬　《Linux　C编程一站式学习》