ARM920T的MMU与Cache（一）——宋劲杉

原文来源——

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目录

        虚拟地址和物理地址的概念
     虚拟内存管理
     ARM920T的CP15协处理器
     MMU
     Cache
     操作MMU和Cache的内核启动代码
     参考资料 索引

虚拟地址和物理地址的概念

    CPU通过地址来访问内存中的单元，地址有虚拟地址和物理地址之分，如果CPU没有MMU（Memory Management Unit，内存管理单元），或者有MMU但没有启用，CPU核在取指令或访问内存时发出的地址将直接传到CPU芯片的外部地址引脚上，直接被内存芯片（以下称为物理内存，以便与虚拟内存区分）接收，这称为物理地址（Physical Address，以下简称PA），如下图所示。

图 1. 物理地址示意图

     如果CPU启用了MMU，CPU核发出的地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址（Virtual Address，以下简称VA），而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上，也就是将虚拟地址映射成物理地址，如下图所示 [1]。

图 2. 虚拟地址示意图

     MMU将虚拟地址映射到物理地址是以页（Page）为单位的，对于32位CPU通常一页为4K。例如，虚拟地址0xb700 1000~0xb700 1fff是一个页，可能被MMU映射到物理地址0x2000~0x2fff，物理内存中的一个物理页面也称为一个页框（Page Frame）。

虚拟内存管理

现代操作系统充分利用MMU提供的VA到PA的映射机制来做内存管理，以下称为虚拟内存管理（Virtual Memory Management）。首先看下面的例子：

   例 1. 进程的地址空间

   这是bash进程的虚拟地址空间，32位CPU的虚拟地址空间是4GB，也就是0x0000 0000-0xffff ffff，该进程占用的地址范围近似为0x0000 0000-0xbfff ffff，地址范围0xc000 0000-0xffff ffff由内核占用，用户进程不允许访问。在这个bash进程的地址空间中，从0x0804 8000开始的668K的权限为r-x--，表示代码段，从0x080e f000开始的24K的权限是rw---，表示数据段，从0x080f 5000开始的2056K的权限也是rw---，但是没有对应任何磁盘文件，而是用[ anon ]（anonymous，匿名）来表示，这是堆所占的空间，从0xb7c6 d000开始是共享库和资源文件的映射空间，每个共享库也分为代码段和数据段，用不同的权限表示，可以看到，从堆空间到下面的共享库映射空间之间有很大的 地址空洞，最末从0xbfad 4000开始的84K是栈空间。

   为什么需要虚拟内存管理呢？可以从以下几个方面来理解。

   第一，让每个进程有独立的地址空间是引入虚拟内存管理的最主要目的。所谓独立的地址空间是指，不同进程中的同一个VA被MMU映射到不同的PA，并且在某 一个进程中访问任何地址都不可能访问到另外一个进程的数据，这样使得任何一个进程由于程序BUG或恶意代码所导致的非法内存访问都不会意外改写其它进程的 数据，不会影响其它进程的运行，从而保证了整个系统的稳定性。另一方面，每个进程都认为自己独占4GB的地址空间，编写程序会比较方便，不必为每个进程分 配一个地址范围，而是每个进程都可以使用一个完整的地址空间中的任何地址。

   我们继续用上面的例子来理解，再打开一个shell窗口，用pmap命令看一下这个新的bash进程的地址空间，可以发现和刚才的地址空间布局差不多：

   该进程也占用了0x0000 0000-0xbfff ffff的地址空间，代码段也是从0x0804 8000开始的668K，数据段也是从0x080e f000开始的24K，共享库的内存布局也差不多。这个进程和刚才的例子是同一个系统中同时运行着的两个进程，它们都认为自己占有0x0000 0000-0xbfff ffff的地址空间，并且它们的数据段的地址范围是重合的，但是两个进程各自干各自的事情，显然数据段中的数据是不同的，正是因为不同进程中的同一个VA 被映射到了不同的PA，所以两个进程的数据段其实是在不同的物理地址上，如下图所示。

图 4. 进程地址空间是独立的

    从图中还可以看到，两个进程都是bash进程，代码段是一样的，并且代码段是只读的，不会被改写，因此操作系统会安排两个进程的代码段共享相同的物理内 存。由于每个进程都有自己的一套VA到PA的映射表，整个地址空间中的任何VA都在每个进程自己的映射表中查找相应的物理地址，因此不可能访问到其它进程 的地址，也就没有可能意外改写其它进程的数据。

    第二，引入VA到PA的映射也会给分配和释放内存带来方便，物理上不连续的空间可以映射为逻辑上连续的虚拟地址空间。比如要malloc一块很大的内存空 间，而物理内存虽然有足够的空闲内存，却没有足够大的连续空闲内存，这时就可以分配多个不连续的物理页面，而映射为连续的虚拟地址范围。如下图所示。

图 5. 不连续的PA可以映射为连续的VA

    第三，一个系统如果同时运行着很多进程，为各进程分配的内存之和可能会大于实际可用的物理内存，虚拟内存管理使得这种情况下各进程仍然能够正常运行。因为 各进程分配的只不过是虚拟内存的页，这个页的内容可以映射到物理内存的页框，也可以临时保存到磁盘上而不占用物理内存的页框，磁盘上这一部分称为交换设备 （Swap Device），可能是一个磁盘分区，也可能是一个磁盘文件。当物理内存不够时将物理内存中不常用的页框临时保存到磁盘上，而当用到这些页框时再从磁盘加 载回内存，这称为换页（Paging）因此：
    系统中可分配的内存总量 = 物理内存的大小 + 交换设备的大小

    如下图所示。第一张图是换出（Page out），将物理页面的内容保存到磁盘，并解除地址映射，释放物理页面。第二张图是换入（Page in），从空闲的物理页面中分配一个，将磁盘暂存的页面加载回内存，并建立地址映射。

图 6. 换页

    第四，虚拟内存管理可以控制物理页面的访问权限。物理内存本身是不限制访问的，任何地址都可以读写，而操作系统要求实现各种不同的访问权限，在先前的例子 中我们已经看到，代码段要求是rx的，数据段要求是rw的，用户进程不能访问属于内核的地址空间，这些都是操作系统和MMU配合实现的。

    MMU中还实现了一种访问限制是关于Cache的。Cache（高速缓存）是CPU内的一小块高速RAM，用来缓存最近访问过的内存数据，CPU访问 Cache的速度是访问内存速度的数十倍，所以有效地利用Cache可以大大提高计算机的整体性能。CPU核要访问数据时首先发出VA，Cache利用 VA查找相应的数据有没有被缓存[2]，如果有就通知CPU核，如果是读操作就直接将Cache中的数据传给CPU核中的寄存器，如果是写操作就直接改写 Cache中的数据，而不需要访问物理内存。但是，有些VA所对应的PA并不是物理内存中的地址而是设备寄存器的地址，对这些寄存器进行读写并不是为了保 存数据，而是对设备做特殊操作，这种VA通常是不允许缓存的，因为如果缓存了，对VA的读写将只在Cache中起作用，而不会传到设备寄存器对设备进行操 作。以串口的收发寄存器为例，如果收发寄存器地址被缓存了会出现什么问题呢？如下图所示。

    如果发送寄存器的地址被缓存起来，CPU核往发送寄存器的地址做写操作都写到Cache中去了，发送寄存器并没有及时得到数据，也就不能及时发送，此 外，CPU核先后发出的1、2、3三个数据都会写到Cache中的同一个地址，最后Cache中只保存了第3个数据，如果这时Cache的数据写回到发送 寄存器去，只能把第3个数据发送出去，前两个数据就丢失了。与此类似，如果接收寄存器的地址被缓存起来，CPU核在读第1个数据时，Cache会从接收寄 存器读进来缓存，然而接收寄存器后面收到2、3两个数据Cache并不知道，因为Cache把接收寄存器当作内存，并且相信内存中的数据是不会自己变的， 所以以后每次CPU核读接收寄存器时，Cache都提供给CPU核第1个数据。