MMU的使用：地址映射

写在前面：因这个问题自己觉得比较难点，用了较多的篇幅来说明，自己在这问题上花的时间也多些

1
(1)cpu核发出VA
(2)VA转换成MVA,cache、MMU使用MVA
  VA->MVA的方法(硬件自动完成）：
  if(VA<32M)
   MVA=VA|(PID<<25) //PID通过读CP15的C13获得
  else
 MVA=PA
2
（1）一级页表中的描述符
     1）段描述符（描述符最低两位为10）：保存段的起始物理地址

     位[31：20]为段基址，低20位为0就是一块1MB的物理地址空间的起始地址；MVA[19：0]用来在这1MB空间寻址
     2）粗页表描述符（描述符最低两位为01）：保存二级页表粗页表的起始物理地址

     它的[31：10]为粗页表基址，低10位为0就是一个二级页表的物理地址。粗页表含256个条目，每个条目大小为4个字节，所以粗页表大小为1KB,每个条目对应大小为4KB的物理空间，256*4KB=1MB，符合一级页表描述符每个对应1MB的物理空间的标准
     3）细页表描述符（描述符最低两位为11）：保存二级页表细页表的起始物理地址

      它的[31：12]为细页表基址，低12位为0就是一个二级页表的物理地址。细页表含1024个条目，每个条目大小为4个字节，所以细页表大小为4KB,每个条目对应大小为1KB的物理空间，1024*4KB=1MB，符合一级页表描述符每个对应1MB的物理空间的标准
（2）二级页表中的描述符
     1)大页描述符(描述符最低两位为01)：保存大页的起始物理地址

     它的[31：16]为细页表基址，低16位为0就是64KB物理地址空间的起始地址。粗页表中每个条目只能表示4KB的物理空间，如果大页描述符保存在粗页表中，则连续16个条目都保存同一大页描述符；细页表中每个条目只能表示1KB的物理空间，如果大页描述符保存在细页表中，则连续64个条目都保存同一大页描述符

     2)小页描述符（描述符最低两位为10）：保存小页的起始物理地址

      它的[31：12]为细页表基址，低12位为0就是4KB物理地址空间的起始地址。粗页表中每个条目只能表示4KB的物理空间，如果小页描述符保存在粗页表中，则1个条目都保存1个小页描述符；细页表中每个条目只能表示1KB的物理空间，如果大页描述符保存在细页表中，则连续4个条目都保存同一大页描述符
     3)极小页描述符：保存极小页的起始物理地址

     它的[31：10]为细页表基址，低10位为0就是1KB物理地址空间的起始地址。极小页描述符只能保存在细页表中，细页表中每个条目只能表示1KB的物理空间，极小页描述符保存在细页表中，则连续1个条目都保存一个极小页描述符

3 一级页表中使用4096个描述符，每个描述符对应1MB的虚拟地址，要么存储了它对应的1MB的物理地址空间，要么存储了下一级页表的地址。一级页表大小为4096*4=16KB

4 使用MVA[31:20]来索引一级页表，得到一个描述符，每个描述符占据4个字节，所以一个一级页表大小为16KB

4 地址转换过程

  （1）寻址段的过程

      页表基址寄存器[31:14]+MVA[31:20]->段描述符

      段描述符[31：20]+MVA[19:0]->PA

  （2）寻址大页的过程（大页描述符保存在粗页表中，保存在细页表中类似）

      页表基址寄存器[31:14]+MVA[31:20]->粗页表描述符

      粗页表描述符[31:10}+MVA[19:12]->大页描述符

      大页描述符[31:16]+MVA[15:0]->PA

 （3）寻址小页的过程（小页描述符保存在粗页表中，保存在细页表中类似）

      页表基址寄存器[31:14]+MVA[31:20]->粗页表描述符

      粗页表描述符[31:10}+MVA[19:12]->小页描述符

      小页描述符[31:12]+MVA[11:0]->PA

 （4）寻址极小页的过程（极小页描述符只能保存在细页表中）

     页表基址寄存器[31:14]+MVA[31:20]->细页表描述符

     细页表描述符[31:12}+MVA[19:10]->极小页描述符

     极小页描述符[31:10]+MVA[9:0]->PA

5 内存访问权限检查

（1）一级页表描述符[5:8]即Domain找CP15寄存器C3中16位中的两位

（2）这两位为11时

    1）段：用用一级描述符中的[10:11]即AP位来检查，控制整个段1MB

    2)大页/小页：用二级页表中的[4:11]即ap0(检查小页/大页低端1KB/16KB)、ap1(……)、ap2(……)、ap3(检查小页/大页高端1KB/16KB)

    3）极小页[4：5]即ap,制整个极小页1KB

6 Cache

 (1)往Icr位即CP15协处理器中寄存器1的第12位写1可以启动ICaches,写0可以停止ICaches;

ICaches一般在MMU开启之后才被使用，此时页表中描述符的C位（称为Ctt)即第三位用来表示一段内存是否可以被Cache;1：可以，0：不可以

（2）往Ccr位即CP15协处理器中寄存器1的第2位写1可以启动DCaches,写0可以停止DCaches;

DCaches必须在MMU开启之后才被使用

7 MMU使用实验：地址映射

（1）分析

1) SDAM地址范围:0x30000000-0x33FFFFFF
   寄存器地址范围：0x48000000-0x5FFFFFFF

2)驱动4个LED的相关寄存器：
   GPBCON:0x56000010
   GPBDAT:0x56000014

3)虚拟地址x0A0000000-0xA01000000映射到物理地址0x56000000-0x56100000
  这样就可以通过操作地址0xA0000010、0xA0000014来达到驱动这4个LED的同样效果

4)使用一级页表，占16KB，存放到SDRAM的开始16KB，所以剩下的内存开始物理地址为0x30004000

5)将虚拟地址xB00000000-0xB3FFFFFF映射到物理地址0x30000000-0x33FFFFFF，并在连接程序时将一部分代码的运行地址指定为0xB0004000,看看能否令程序跳转到0xB0004000

(2)head.S

@*************************************************************************
@ File：head.S
@ 功能：设置SDRAM，将第二部分代码复制到SDRAM，设置页表，启动MMU，
@       然后跳到SDRAM继续执行
@*************************************************************************      

.text
.global _start
_start:
    ldr sp, =4096                       @ 设置栈指针，以下都是C函数，调用前需要设好栈
    bl  disable_watch_dog               @ 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启
    bl  memsetup                        @ 设置存储控制器以使用SDRAM
    bl  copy_2th_to_sdram               @ 将第二部分代码复制到SDRAM
    bl  create_page_table               @ 设置页表
    bl  mmu_init                        @ 启动MMU
    ldr sp, =0xB4000000                 @ 重设栈指针，指向SDRAM顶端(使用虚拟地址)
    ldr pc, =0xB0004000                 @ 跳到SDRAM中继续执行第二部分代码
halt_loop:
    b   halt_loop

(3)init.c

 1)/*
 * init.c: 进行一些初始化，在Steppingstone中运行
 * 它和head.S同属第一部分程序，此时MMU未开启，使用物理地址
 */

/* WATCHDOG寄存器 */
#define WTCON           (*(volatile unsigned long *)0x53000000)
/* 存储控制器的寄存器起始地址 */
#define MEM_CTL_BASE    0x48000000

/*
 * 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启
 */
void disable_watch_dog(void)
{
    WTCON = 0;  // 关闭WATCHDOG很简单，往这个寄存器写0即可
}

/*
 * 设置存储控制器以使用SDRAM
 */
void memsetup(void)
{
    /* SDRAM 13个寄存器的值 */
    unsigned long  const    mem_cfg_val[]={ 0x22011110,     //BWSCON
                                            0x00000700,     //BANKCON0
                                            0x00000700,     //BANKCON1
                                            0x00000700,     //BANKCON2
                                            0x00000700,     //BANKCON3 
                                            0x00000700,     //BANKCON4
                                            0x00000700,     //BANKCON5
                                            0x00018005,     //BANKCON6
                                            0x00018005,     //BANKCON7
                                            0x008C07A3,     //REFRESH
                                            0x000000B1,     //BANKSIZE
                                            0x00000030,     //MRSRB6
                                            0x00000030,     //MRSRB7
                                    };
    int     i = 0;
    volatile unsigned long *p = (volatile unsigned long *)MEM_CTL_BASE;
    for(; i < 13; i++)
        p[i] = mem_cfg_val[i];
}

/*
 * 将第二部分代码复制到SDRAM
 */
void copy_2th_to_sdram(void)
{
    unsigned int *pdwSrc  = (unsigned int *)2048;
    unsigned int *pdwDest = (unsigned int *)0x30004000;
   
    while (pdwSrc < (unsigned int *)4096)
    {
        *pdwDest = *pdwSrc;
        pdwDest++;
        pdwSrc++;
    }
}

2)/*
 * 将第二部分代码复制到SDRAM
 */
void copy_2th_to_sdram(void)
{
    unsigned int *pdwSrc  = (unsigned int *)2048;
    unsigned int *pdwDest = (unsigned int *)0x30004000;
   
    while (pdwSrc < (unsigned int *)4096)
    {
        *pdwDest = *pdwSrc;
        pdwDest++;
        pdwSrc++;
    }
}
3)/*
 * 设置页表
 */
void create_page_table(void)
{

/*
 * 用于段描述符的一些宏定义
 */
#define MMU_FULL_ACCESS     (3 << 10)   /* 访问权限 */
#define MMU_DOMAIN          (0 << 5)    /* 属于哪个域 */
#define MMU_SPECIAL         (1 << 4)    /* 必须是1 */
#define MMU_CACHEABLE       (1 << 3)    /* cacheable */
#define MMU_BUFFERABLE      (1 << 2)    /* bufferable */
#define MMU_SECTION         (2)         /* 表示这是段描述符 */
#define MMU_SECDESC         (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | \
                             MMU_SECTION)
#define MMU_SECDESC_WB      (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | \
                             MMU_CACHEABLE | MMU_BUFFERABLE | MMU_SECTION)
#define MMU_SECTION_SIZE    0x00100000

    unsigned long virtuladdr, physicaladdr;
    unsigned long *mmu_tlb_base = (unsigned long *)0x30000000;
   
    /*
     * Steppingstone的起始物理地址为0，第一部分程序的起始运行地址也是0，
     * 为了在开启MMU后仍能运行第一部分的程序，
     * 将0～1M的虚拟地址映射到同样的物理地址
     */
    virtuladdr = 0;
    physicaladdr = 0;
    *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \
                                            MMU_SECDESC_WB;

    /*
     * 0x56000000是GPIO寄存器的起始物理地址，
     * GPBCON和GPBDAT这两个寄存器的物理地址0x56000010、0x56000014，
     * 为了在第二部分程序中能以地址0xA0000010、0xA0000014来操作GPBCON、GPBDAT，
     * 把从0xA0000000开始的1M虚拟地址空间映射到从0x56000000开始的1M物理地址空间
     */
    virtuladdr = 0xA0000000;
    physicaladdr = 0x56000000;
    *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \
                                            MMU_SECDESC;

    /*
     * SDRAM的物理地址范围是0x30000000～0x33FFFFFF，
     * 将虚拟地址0xB0000000～0xB3FFFFFF映射到物理地址0x30000000～0x33FFFFFF上，
     * 总共64M，涉及64个段描述符
     */
    virtuladdr = 0xB0000000;
    physicaladdr = 0x30000000;
    while (virtuladdr < 0xB4000000)
    {
        *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \
                                                MMU_SECDESC_WB;
        virtuladdr += 0x100000;
        physicaladdr += 0x100000;
    }
}
4)这部分代码我觉得很有参考价值

/*
 * 启动MMU
 */
void mmu_init(void)
{
    unsigned long ttb = 0x30000000;

__asm__(
    "mov    r0, #0\n"
    "mcr    p15, 0, r0, c7, c7, 0\n"    /* 使无效ICaches和DCaches */
   
    "mcr    p15, 0, r0, c7, c10, 4\n"   /* drain write buffer on v4 */
    "mcr    p15, 0, r0, c8, c7, 0\n"    /* 使无效指令、数据TLB */
   
    "mov    r4, %0\n"                   /* r4 = 页表基址 */

    /*

     C中嵌入汇编的格式
     __asm__(code list：output：Input：Modify)
     %0为操作数占位符，与输入变量ttb对应。

    */
    "mcr    p15, 0, r4, c2, c0, 0\n"    /* 设置页表基址寄存器 */
   
    "mvn    r0, #0\n"                  
    "mcr    p15, 0, r0, c3, c0, 0\n"    /* 域访问控制寄存器设为0xFFFFFFFF，
                                         * 不进行权限检查
                                         */   
    /*
     * 对于控制寄存器，先读出其值，在这基础上修改感兴趣的位，
     * 然后再写入
     */
    "mrc    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    /* 读出控制寄存器的值 */
   
    /* 控制寄存器的低16位含义为：.RVI ..RS B... .CAM
     * R : 表示换出Cache中的条目时使用的算法，
     *     0 = Random replacement；1 = Round robin replacement
     * V : 表示异常向量表所在的位置，
     *     0 = Low addresses = 0x00000000；1 = High addresses = 0xFFFF0000
     * I : 0 = 关闭ICaches；1 = 开启ICaches
     * R、S : 用来与页表中的描述符一起确定内存的访问权限
     * B : 0 = CPU为小字节序；1 = CPU为大字节序
     * C : 0 = 关闭DCaches；1 = 开启DCaches
     * A : 0 = 数据访问时不进行地址对齐检查；1 = 数据访问时进行地址对齐检查
     * M : 0 = 关闭MMU；1 = 开启MMU
     */
   
    /* 
     * 先清除不需要的位，往下若需要则重新设置它们   
     */
                                        /* .RVI ..RS B... .CAM */
    "bic    r0, r0, #0x3000\n"          /* ..11 .... .... .... 清除V、I位 */
    "bic    r0, r0, #0x0300\n"          /* .... ..11 .... .... 清除R、S位 */
    "bic    r0, r0, #0x0087\n"          /* .... .... 1... .111 清除B/C/A/M */

    /*
     * 设置需要的位
     */
    "orr    r0, r0, #0x0002\n"          /* .... .... .... ..1. 开启对齐检查 */
    "orr    r0, r0, #0x0004\n"          /* .... .... .... .1.. 开启DCaches */
    "orr    r0, r0, #0x1000\n"          /* ...1 .... .... .... 开启ICaches */
    "orr    r0, r0, #0x0001\n"          /* .... .... .... ...1 使能MMU */
   
    "mcr    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    /* 将修改的值写入控制寄存器 */
    : /* 无输出 */
    : "r" (ttb) );
}
5）/*
 * leds.c: 循环点亮4个LED
 * 属于第二部分程序，此时MMU已开启，使用虚拟地址
 */

#define GPBCON      (*(volatile unsigned long *)0xA0000010)     // 物理地址0x56000010
#define GPBDAT      (*(volatile unsigned long *)0xA0000014)     // 物理地址0x56000014

#define GPB5_out    (1<<(5*2))
#define GPB6_out    (1<<(6*2))
#define GPB7_out    (1<<(7*2))
#define GPB8_out    (1<<(8*2))

/*
 * wait函数加上“static inline”是有原因的，
 * 这样可以使得编译leds.c时，wait嵌入main中，编译结果中只有main一个函数。
 * 于是在连接时，main函数的地址就是由连接文件指定的运行时装载地址。
 * 而连接文件mmu.lds中，指定了leds.o的运行时装载地址为0xB4004000，
 * 这样，head.S中的“ldr pc, =0xB4004000”就是跳去执行main函数。
 */
static inline void wait(unsigned long dly)
{
    for(; dly > 0; dly--);
}

int main(void)
{
    unsigned long i = 0;
   
    // 将LED1-4对应的GPB5/6/7/8四个引脚设为输出
    GPBCON = GPB5_out|GPB6_out|GPB7_out|GPB8_out;      

    while(1){
        wait(30000);
        GPBDAT = (~(i<<5));     // 根据i的值，点亮LED1-4
        if(++i == 16)
            i = 0;
    }

    return 0;
}

书上的测试程序在我的mini2440板子上表现为4个LED全亮，并没有像要求的那样显示，个人觉得是速度太快的原因，所以自己写个简单的点灯程序来测试，能达到测试效果：mmu.tar.gz