MMU简介[转帖]

MMU简介

嵌入式系统中，存储系统差别很大，可包含多种类型的存储器件，如FLASH，SRAM，SDRAM，ROM等，这些不同类型的存储器件速度和宽度等各不相同；在访问存储单元时，可能采取平板式的地址映射机制对其操作，或需要使用虚拟地址对其进行读写；系统中，需引入存储保护机制，增强系统的安全性。为适应如此复杂的存储体系要求，ARM处理器中引入了存储管理单元来管理存储系统。

在ARM存储系统中，使用MMU实现虚拟地址到实际物理地址的映射。为何要实现这种映射？首先就要从一个嵌入式系统的基本构成和运行方式着手。系统上电时，处理器的程序指针从0x0（或者是由0Xffff_0000处高端启动）处启动，顺序执行程序，在程序指针（PC）启动地址，属于非易失性存储器空间范围，如ROM、FLASH等。然而与上百兆的嵌入式处理器相比，FLASH、ROM等存储器响应速度慢，已成为提高系统性能的一个瓶颈。而SDRAM具有很高的响应速度，为何不使用SDRAM来执行程序呢？为了提高系统整体速度，可以这样设想，利用FLASH、ROM对系统进行配置，把真正的应用程序下载到SDRAM中运行，这样就可以提高系统的性能。然而这种想法又遇到了另外一个问题，当ARM处理器响应异常事件时，程序指针将要跳转到一个确定的位置，假设发生了IRQ中断，PC将指向0x18（如果为高端启动，则相应指向0vxffff_0018处），而此时0x18处仍为非易失性存储器所占据的位置，则程序的执行还是有一部分要在FLASH或者ROM中来执行的。那么我们可不可以使程序完全都在SDRAM中运行呢？答案是肯定的，这就引入了MMU，利用MMU，可把SDRAM的地址完全映射到0x0起始的一片连续地址空间，而把原来占据这片空间的FLASH或者ROM映射到其它不相冲突的存储空间位置。例如，FLASH的地址从0x0000_0000－0x00ff_ffff，而SDRAM的地址范围是0x3000_0000－0x31ff_ffff，则可把SDRAM地址映射为0x0000_0000－0x1fff_ffff而FLASH的地址可以映射到0x9000_0000－0x90ff_ffff（此处地址空间为空闲，未被占用）。映射完成后，如果处理器发生异常，假设依然为IRQ中断，PC指针指向0x18处的地址，而这个时候PC实际上是从位于物理地址的0x3000_0018处读取指令。通过MMU的映射，则可实现程序完全运行在SDRAM之中。

在实际的应用中，可能会把两片不连续的物理地址空间分配给SDRAM。而在操作系统中，习惯于把SDRAM的空间连续起来，方便内存管理，且应用程序申请大块的内存时，操作系统内核也可方便地分配。通过MMU可实现不连续的物理地址空间映射为连续的虚拟地址空间。

操作系统内核或者一些比较关键的代码，一般是不希望被用户应用程序所访问的。通过MMU可以控制地址空间的访问权限，从而保护这些代码不被破坏。MMU的实现过程，实际上就是一个查表映射的过程。建立页表（translate table）是实现MMU功能不可缺少的一步。页表是位于系统的内存中，页表的每一项对应于一个虚拟地址到物理地址的映射。每一项的长度即是一个字的长度（在ARM中，一个字的长度被定义为4字节）。页表项除完成虚拟地址到物理地址的映射功能之外，还定义了访问权限和缓冲特性等。

MMU的映射分为两种，一级页表的变换和二级页表变换。两者的不同之处就是所实现的变换地址空间大小不同。一级页表变换支持1M大小的存储空间的映射，而二级可以支持64KB、4KB和1KB大小地址空间的映射。

要实现从虚拟地址到物理地址的映射，必然会遇到一个问题，如何找到这个页表。对于表的查找，要知道这个表的基地址和偏移地址，在具有MMU功能的处理器中，集成了一个被称为CP15的协处理器，该协处理器的C2寄存器中用于保存页表的基地址，下面以一级页表变换为例说明MMU实现地址变换的过程。

当处理器访问一个虚拟地址时，该虚拟地址的[31：20]作为偏移地址与页基地址结合（基地址必须是64KB对齐的，因此基地址的[13：0]位都为0），得到一个32位的页表项地址（因为页表项为4字节对齐，[1：0]两位为0）。通过这个页表项地址可以检索到该页表项。

查找到页表项后，根据页表项的访问特性（缓冲以及是否允许访问等）协处理器决定是否允许访问。如不允许访问，则协处理器向CPU报告出错信息；反之，由页表项的[31：20]位与虚拟地址的[19：0]一起组成实际的物理地址，实现从虚拟地址到物理地址的映射。

对于实际编程工作而言，主要是确定如何编写页表中的内容并如何确定页表项地址。现举例如下：

假设物理地址为0x36B0_0000～0x36Bf_ffff（1M空间）的一块连续空间需映射为0x0100_0000～0x010f_ffff的一块连续空间：

1．确定页表项中的内容：把物理地址的基地址作为页表项的高12位（31bit～21bit），填写访问属性。假设可以读写，可以读缓存、写缓冲，这样该页表项内容为0x36B0_0C00E；

2．确定页表基地址，填写页表基地址到CP15寄存器的C2中。页表的基地址要为64KB对齐；

3．计算出偏移地址，把内容填写到页表项地址中。页表项地址=页表基地址+（物理地址基地址>>18），如页表基地址为0xA100_0000，那么，页表项地址=0xA100_0DAC；

4．将页表项数值写到对应的页表项地址中。上例中，需要向地址0xA100_0DAC中写入0x36B0_0C00E。

MMU 是存储器管理单元的缩写，是用来管理虚拟内存系统的器件。MMU通常是CPU的一部分，本身有少量的存储空间存放从虚拟地址到物理地址的匹配表。此表称作TLB（转换旁置缓冲区）。所有数据请求都送往MMU，由MMU决定数据只在RAM中还是在大容量的存储器设备内。如果数据不在存储空间内，MMU将产生页面错误中断

MMU的两个主要功能是：

²  将虚拟地址转换为物理地址

²  控制存储器存取允许。MMU关掉时，虚地址直接输出到物理地址总线。

在实践中,使用MMU解决了以下几个问题：

²  使用DRAM作为大容量存储器时，如果DRAM行列是非平方的，会导致该DRAM的物理地址不连续，这将给程序的编写调试造成极大的不方便，而适当的配置MMU可将其转换成虚拟地址连续的空间；

²  ARM内核的中断向量表放在0地址，对于ROM在0地址的情况，无法调用中断服务程序，所以在调试阶段有必要将可读写的存储器空间映射到0地址；

²  系统的某些地址是不允许被访问的，否则会产生不可预料的后果，为避免这类错误，可以通过MMU匹配表的设置将这些地址设为用户不可以存取类型；

启动程序中生成的匹配表中包含地址映射，存储页面大小（1M、64K 或者4K）以及是否允许存取等信息。