ARM中MMU的作用

讓我們從歷史發(fā)展的角度看MMU的作用

這一部分可結(jié)合蔡于清的講解【網(wǎng)址：http://www.another-prj.com/viewthread.php?tid=28&extra=page%3D1】來(lái)看，下面的大部分內(nèi)容轉(zhuǎn)載此處，針對(duì)自己的理解做了一些擴(kuò)充性說(shuō)明。只是需要注意的是，在蔡于清此部分的講解中，有幾處小的錯(cuò)誤，完成此部分的講解后可以進(jìn)行更正。

MMU功能部件是與虛擬內(nèi)存技術(shù)（virtual memory）緊密聯(lián)系在一起的。

第一階段：最初，計(jì)算機(jī)內(nèi)存很小，而且非常昂貴，大多數(shù)都是以KB為單位的。相應(yīng)的，當(dāng)時(shí)程序規(guī)模很小，不復(fù)雜，所以內(nèi)存還是能夠滿足需求的。在看《Linkers andLoaders》的時(shí)候，也是從這個(gè)階段講解，不過(guò)此書的核心視角是從Linkers和Loaders的發(fā)展來(lái)看的。也就是，計(jì)算機(jī)剛剛出現(xiàn)時(shí)，還是比較簡(jiǎn)陋的，各種復(fù)雜的技術(shù)是伴隨著人們需求的提高而出現(xiàn)的。把握住這一點(diǎn)，就可以從需求的角度入手探討技術(shù)，可以分析它如何滿足了這樣的需求。通過(guò)這種分析，理解上就比較簡(jiǎn)單一些了。

第二階段：程序規(guī)模擴(kuò)大，考慮到成本問(wèn)題，出現(xiàn)了overlay技術(shù)，也就是內(nèi)存覆蓋策略?；镜脑砭褪前殉绦蚍指畛稍S多稱為“覆蓋塊”的片斷。覆蓋塊0首先加載運(yùn)行，結(jié)束時(shí)調(diào)用另一個(gè)覆蓋塊。覆蓋塊的調(diào)度是由OS來(lái)完成的，但是事先需要分割，這部分工作是程序員借助Linkers來(lái)完成的。但是畢竟枯燥，由此帶來(lái)的開銷也比較大。于是進(jìn)入第三個(gè)階段。

第三階段：出現(xiàn)virtual memory。虛擬存儲(chǔ)器的基本思想是程序，數(shù)據(jù)，堆棧的總的大小可以超過(guò)物理存儲(chǔ)器的大小，操作系統(tǒng)把當(dāng)前使用的部分保留在內(nèi)存中，而把其他未被使用的部分保存在磁盤上。比如對(duì)一個(gè)16MB的程序和一個(gè)內(nèi)存只有4MB的機(jī)器，OS通過(guò)選擇，可以決定各個(gè)時(shí)刻將哪4M的內(nèi)容保留在內(nèi)存中，并在需要時(shí)在內(nèi)存和磁盤間交換程序片段，這樣就可以把這個(gè)16M的程序運(yùn)行在一個(gè)只具有4M內(nèi)存機(jī)器上了。而這個(gè)16M的程序在運(yùn)行前不必由程序員進(jìn)行分割。

伴隨著這種技術(shù)的出現(xiàn)，“virtual address，即VA”和“physical address，即PA”也就出現(xiàn)了。一般來(lái)說(shuō)，CPU看到的地址是VA，VA是有地址線來(lái)決定的。比如，s3c2410是32位的SoC，那么它的尋址空間為2^32=4GB，那么VA空間也就是4GB。但是在嵌入式系統(tǒng)中，物理存儲(chǔ)器是不會(huì)有這么大的?，F(xiàn)在這塊s3c2410的實(shí)際內(nèi)存SDRAM也就 64MB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于4GB。也就是說(shuō)，VA是4GB，PA是64MB，PA的地址空間是VA地址空間的子集。既然PA沒有VA那么大，而且CPU只能看到 VA，那么CPU如何找到PA呢？這也正是MMU的基本作用之一，就是提供VA到PA的轉(zhuǎn)換機(jī)制，除了硬件的支持外，軟件上實(shí)際就是維護(hù)一張表，表中的內(nèi)容是VA到PA的轉(zhuǎn)換法則。由于有了MMU，那么就可以實(shí)現(xiàn)利用VA找到實(shí)際物理內(nèi)存區(qū)域。

現(xiàn)在討論為什么要實(shí)現(xiàn)VA到PA的映射。就ARM而言，系統(tǒng)上電后，CPU的PC指向0x00000000或者0xffff0000，這是由CPU的設(shè)計(jì)者決定的。在這個(gè)位置，一般安排非易失性存儲(chǔ)器地址空間，比如rom，flash等。但是flash等響應(yīng)速度慢，這就稱為提高系統(tǒng)性能的一個(gè)瓶頸。而 sdram則具有很高的響應(yīng)速度，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，可以把flash中的應(yīng)用程序下載到sdram中執(zhí)行，也就是一個(gè)簡(jiǎn)單的loader的功能實(shí)現(xiàn)。這樣就出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，ARM響應(yīng)exception時(shí)，程序指針指向固定的VA，比如，假設(shè)發(fā)生了IRQ中斷，那么PC執(zhí)行0x00000018（如果是高端啟動(dòng)，則指向0xffff0018處。）但是此處仍然為非易失性存儲(chǔ)器，也就是說(shuō)，程序的一部分仍然在flash或者rom中執(zhí)行。這時(shí)可以利用 MMU，把sdram的地址映射到0x00000000起始的一片連續(xù)地址空間，而把原來(lái)flash映射到其他不相沖突的存儲(chǔ)空間位置。例如，flash 的地址范圍0x00000000－0x00ffffff，sdram的地址范圍0x30000000－0x31ffffff。那么可以把sdram映射到 0x00000000－0x1fffffff（此處地址空間未被占用）。映射完成后，如果處理器異常，假設(shè)依然為IRQ中斷，pc指向 0x00000018，但是pc實(shí)際上是從物理地址0x30000018處讀取指令。通過(guò)mmu的映射，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的加速。這個(gè)地方也可以說(shuō)明 bootloader中常見的中斷向量表的設(shè)置，為什么有些使用b，有些使用ldr了?！綽的跳轉(zhuǎn)空間只能是+-32M，而ldr可以大的多了。】

在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，還可能會(huì)把兩片不連續(xù)的物理地址空間分配給sdram，而在os中，習(xí)慣上把sdram的空間連續(xù)起來(lái)，方便實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理。通過(guò)mmu可以實(shí)現(xiàn)不連續(xù)的物理地址空間映射為虛擬地址空間。

另外一個(gè)需求就是，實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)行級(jí)別，那么一些關(guān)鍵的代碼可以設(shè)定不被普通應(yīng)用程序訪問(wèn)。這也是通過(guò)mmu控制訪問(wèn)權(quán)限來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

綜上三個(gè)階段所述，可見MMU的作用主要就是兩個(gè):

· 實(shí)現(xiàn)VA到PA的映射（可以因此實(shí)現(xiàn)方便的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理）
· 實(shí)現(xiàn)不同的訪問(wèn)權(quán)限。