FS2410 開發(fā)板上啟用 MMU 實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理

FS2410 開發(fā)板上的 ARM 核心為 ARM920T， ARM920T 代表著什么呢? 其實(shí)

ARM920T = ARM9 core + MMU + Cache，也就是說 ARM920T 為實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理提供了硬件

條件，這個(gè)硬件條件就是 MMU -- 內(nèi)存管理單元。前面的實(shí)驗(yàn)我們程序里的地址都是直接對(duì)應(yīng)物理地

址，也就是說虛擬地址等同于物理地址，而今借助 MMU 我們可以實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理，程序里面的地址

不再被直接送到地址總線，而是先通過 MMU，由 MMU 來實(shí)現(xiàn)虛地址到物理地址的映射。這有什么意義

呢?想象有這么兩個(gè)程序，它們有相同的虛擬地址，但由于運(yùn)行時(shí)其虛地址分別被映射到不同的物理地址

，所以它們各行其道、和平共處，而不會(huì)產(chǎn)生沖突...有了 MMU 的支持我們可以設(shè)計(jì)出高級(jí)的作業(yè)系統(tǒng)。

二、目的

如何啟用 MMU, 并實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址映射正是這次實(shí)驗(yàn)的目的。呵呵，你也許已經(jīng)迫不及待...

那現(xiàn)在我們就去探個(gè)究竟!

三、代碼分析

程序的整個(gè)執(zhí)行流程都體現(xiàn)在 start.S 文件里(以前不是 head.s文件嗎? 呵呵，我把以前的代碼進(jìn)

行了重構(gòu)，現(xiàn)在代碼看上去更清析--好的架構(gòu)是很重要的，更便于以后的擴(kuò)充)，start.S里調(diào)用的函數(shù)有的

是在 .c 文件實(shí)現(xiàn)的，必要時(shí)我會(huì)做相應(yīng)解釋。

1 .text

2 .global _start

3 _start:

4 b reset

5 NOP

6 NOP

7 NOP

8 NOP

9 NOP

10 ldr pc, handle_irq_addr

11 NOP

12 handle_irq_addr:

13 .long handle_irq

14 reset:

15 ldr r0, =0x53000000 @ Close Watch-dog Timer

16 mov r1, #0x0

17 str r1, [r0]

18

19@ init stack

20ldr sp,=4096

21

22@ disable all interrupts

23mov r1, #0x4A000000

24mov r2, #0xffffffff

25str r2, [r1, #0x08]

26ldr r2, =0x7ff

27str r2, [r1, #0x1c]

28

29bl memory_setup @ Initialize memory setting

30bl flash_to_sdram @ Copy code to sdram

31

32ldr pc, =run_on_sdram

33 run_on_sdram:

34ldr sp, =0x33000000

35 bl init_mmu_tlb @ setup page table

36 bl init_mmu @ MMU enabled

37

38msr cpsr_c, #0xd2 @ set the irq mode stack

39ldr sp, =0x31000000

40msr cpsr_c, #0xdf @ set the system mode stack

41ldr sp, =0x32000000

42bl init_irq

43msr cpsr_c, #0x5f @ set the system mode open the irq

44

45ldr sp, =0x33000000 @ Set stack pointer

46bl main

47 loop:

48b loop

(1) 設(shè)置中斷跳轉(zhuǎn)指令

可以看到程序 4~13 行用來設(shè)置中斷跳轉(zhuǎn)指令，目前我們只實(shí)現(xiàn)了響應(yīng) IRQ 中斷的代

碼，所以在第 10 行處放了一條 ldr 加載指令，它的意思是當(dāng)發(fā)生 IRQ 中斷時(shí)，把

用于響應(yīng) IRQ 中斷的函數(shù) handle_irq 的地址加載進(jìn) pc 寄存器讓程序跳轉(zhuǎn)那里進(jìn)

行相應(yīng)處理

(2) 關(guān)閉看門狗，程序第 15~17 行

(3) 初始化堆棧寄存器體現(xiàn)在第 20 行，之所這么做因?yàn)橄旅鏁?huì)調(diào)用一些 C 函數(shù)，而 C函

數(shù)里的變量當(dāng)然要保存在堆棧里了

(4) 暫時(shí)不響應(yīng)所有中斷: 22~27 行

(5) 第 29 行，初始化內(nèi)存(內(nèi)存在這里就是 SDRAM) 慢著...程序不是已經(jīng)運(yùn)行在內(nèi)存里

了嗎? 非也，準(zhǔn)確點(diǎn)說是運(yùn)行在 SRAM 里。ARM 啟動(dòng)時(shí)會(huì)將 Nand Flash(相當(dāng)于硬

盤)里前 4K 代碼加載進(jìn) SRAM 里并運(yùn)行之。那程序大于 4K 怎么辦? 呵呵，這正是

下一點(diǎn)要說明的

(6) 第 30 行，程序自身到內(nèi)存的般移。我們的程序大于 4K, 只靠 SRAM 的那可憐的 4K

是運(yùn)行不開的

(7) 第 32~33 行，跳轉(zhuǎn)到 SDRAM 里執(zhí)行。我們的代碼已經(jīng)搬到內(nèi)存了，64M 的空間夠用

的了

(8) 第 34~36 行，設(shè)置頁表，啟用 MMU。這是今天的主角。函數(shù)

init_mmu_tlb

init_mmu

定義在 mmu.c 文件里，我們?nèi)タ纯催@個(gè)文件里有些什么?

1 /* init MMU page table*/

2 void init_mmu_tlb() {

3 unsigned long vm_addr, idx;

4 unsigned long *tb_base = (unsigned long *)MMU_TBL_BASE;

5

6 for (vm_addr = MEM_START; vm_addr < MEM_END; vm_addr += PAGE_SIZE) {

7 idx = vm_addr >> 20;

8 /* entry: section base, AP=0b11, domain=0b00,cached,write-through*/

9 *(tb_base + idx) = vm_addr|(0x3<<10)|(0<<5)|(1<<4)|(1<<3)|0x02;

10 }

11

12 /* set IO mapped-memory addr for function register*/

13 for (vm_addr = MEM_IO_MAPPED_START; vm_addr < MEM_IO_MAPPED_END; vm_addr += PAGE_SIZE) {

14 idx = vm_addr >> 20;

15 /* entry: section base, AP=0b11, domain=0b00, NCNB*/

16 *(tb_base + idx) = vm_addr|(0x03<<10)|(0<<5)|(1<<4)|0x02;

17 }

18

19 /*

20 * exception vectors

21 * entry: AP=0b11, domain=0b00, cached, write-through

22 */

23 *(tb_base + 0x00000000) = (0x00000000)|(0x03<<10)|(0<<5)|(1<<4)|(1<<3)|0x02;

24 *(tb_base + (0xffff0000>>20)) = VECTORS_PHY_BASE|(0x03<<10)|(0<<5)|(1<<4)|(0<<3)|0x02;

25 }

26

27 void init_mmu() {

28 unsigned long ttb = (unsigned long)MMU_TBL_BASE;

29 __asm__(

30 "mov r0, #0n"

31

32 /* disable ICache, DCache*/

33 "mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0n"

34

35 /* clear wirte buffer*/

36 "mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4n"

37

38 /* disable ICache, Dcache, TLBs*/

39 "mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0n"

40

41 /* load page table pointer*/

42 "mov r4, %0n"

43 "mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0n"

44

45 /*

46* write domain id (cp15_r13)

47 * domain=0b11, manager mode, no check for permission

48*/

49 "mvn r0, #0n"

50 "mcr p15, 0, r0, c3, c0, 0n"

51

52 /* set control register*/

53 "mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0n"

54

55 /* clear out unwanted bits*/

56 "ldr r1, =0x1384n"

57 "bic r0, r0, r1n"

58

59/*

60 * turn on what we want

61 * base location of exception = 0xffff0000

62*/

63 "orr r0, r0, #0x2000n"

64 /* fault checking enabled*/

65 "orr r0, r0, #0x0002n"

66 #ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_ON

67 "orr r0, r0, #0x0004n"

68 #endif

69 #ifndef CONFIG_CPU_ICACHE_ON

70 "orr r0, r0, #0x1000n"

71 #endif

72 /* MMU enabled*/

73 "orr r0, r0, #0x0001n"

74

75 /* write control register*/

76 "mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0n"

77 : /* no output*/

78 : "r"(ttb));

79 }

程序第 1~25 行是函數(shù) init_mmu_tlb 的實(shí)現(xiàn)。其實(shí)就是建立一級(jí)頁表。s3c2410 有四

種內(nèi)存映射模式: Fault、Coarse Page、Section、Fine Page. 為了簡(jiǎn)單起見我們用

Section 模式。ARM920T 是 32 位的 CPU，其虛擬地址空間為 2^32 即 4G。 我們用

Section 模式來劃分這 4G 址址空間，每一個(gè) Section 大小為 1M，這樣就可得到 4K

個(gè) Section。怎樣管理這些 Section 呢?通過一張表來記錄它們，而這張表被稱做頁表。

在頁表里，用 4 個(gè)字節(jié)來記錄一個(gè) Section 的信息?？偣灿?4K 個(gè) Section，這樣就

要花費(fèi) 4x4K = 16K 的內(nèi)存。這用來描述 Section 的 4 個(gè)字節(jié)也有個(gè)形象的名字，叫

作描述符。描述符的結(jié)構(gòu)又是什么樣的呢。來看一下:

Section base address: 段基地址

AP: Access Permission 訪問控制位

Domain: 訪問控制器的索引

C: 被置位時(shí)為 write-through (WT)模式

B: 被置位時(shí)為 write-back (WB)模式

s3c2410 的 SDRAM 為 64M，其物理地址范圍是 0x30000000~0x33ffffff，可劃分成

64 個(gè) Section。我們要實(shí)現(xiàn)虛址到物理地址的映射，虛地址是如何被轉(zhuǎn)換的呢？其實(shí) MMU

將虛地址分成兩部分: 索引(index) 和 偏移(offset)。index 就是虛地址的高 12 位,

偏移就是虛地址的低 20 位, MMU 通過 index 在頁表里取到相應(yīng)描述符，從描述符里取

到對(duì)應(yīng) Section 的基地址，再由這個(gè)基地址加上偏移 offset 來找出真正的物理地址。

明白了地址映射的基本原理，我們來分析上面的代碼:

第 6~13 行令 SDRAM 的虛地址和物理地址相等，從 0x30000000 至 0x33ffffff

第 12~17 行設(shè)置特殊功能寄存器的虛地址，也讓它們的虛地址與物理地址相等

第 23~24 行設(shè)置中斷向量的虛地址，其中高端中斷向量地址 0xffff0000 對(duì)應(yīng)到物理

地址0x33f00000

代碼中有幾個(gè)常數(shù)，定義如下:

#define MEM_START 0x30000000UL

#define MEM_END 0x34000000UL

#define PAGE_SIZE 0x00100000UL /* page size: 1M*/

#define MEM_IO_MAPPED_START 0x48000000UL

#define MEM_IO_MAPPED_END 0x60000000UL

#define MMU_TBL_BASE 0x30000000UL

#define VECTORS_PHY_BASE 0x33f00000UL

為了理解第 27~79 行的內(nèi)聯(lián)匯編到底做了些什么，我們先來了解一下協(xié)處理器:

在基于 ARM 的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，存儲(chǔ)系統(tǒng)通過是通過系統(tǒng)控制協(xié)處理器 CP15 來完

成的。如何設(shè)置/讀取協(xié)處理器的寄存器呢?借助 MCR/MRC 指令。例如:

MCR P15, 0, R4, C1, C0, 0

將寄存器 R4 中的數(shù)據(jù)傳送到協(xié)處理器 CP15 的寄存器 C1 中，其中 R4 為 ARM 寄存

器,存放源操作數(shù); C1,C0 為協(xié)處理器寄存器,為目的寄存器; 操作碼1為0,操作碼2為0

相應(yīng)的, MRC 指令將協(xié)處理器的寄存器中的數(shù)值傳送到 ARM 處理器的寄存器中。

好了，我們來分析上面的內(nèi)聯(lián)匯編代碼:

第 32~33 行使數(shù)據(jù)Cache 和 指令Cache 無效。呵呵, 你沒明白過來? 其中原由如下：

CP15 中的寄存器 C7 用于控制 cache 和寫緩沖區(qū)。它是一個(gè)只寫的寄存器，使用 MCR 指令

來寫該寄存器，具體格式如下:

MCR P15, 0, , , ,

其中, 中為將寫入 C7 中的數(shù)據(jù); , 的不同組合決定執(zhí)行不同的操作:

----------------------------------------------------------------------------------

含義 數(shù)據(jù)

----------------------------------------------------------------------------------

C0 4 等待中斷激活0

C5 0 使用無效整個(gè)Cache 0

C5 1 使無效指令Cache 中的某塊 虛地址

C5 2 使無效指令Cache 中的某塊 組號(hào)/組內(nèi)序號(hào)

C5 4 清空預(yù)取緩沖區(qū)0

C5 6 清空整個(gè)跳轉(zhuǎn)目標(biāo)Cache 0

C5 7 清空跳轉(zhuǎn)目標(biāo)Cache中的某塊 生產(chǎn)商定義

C6 0 使無效整個(gè)數(shù)據(jù)Cache 0

C6 1 使無效數(shù)據(jù)Cache 中的某塊 虛地址

C6 2 使無效數(shù)據(jù)Cache 中的某塊 組號(hào)/組內(nèi)序號(hào)

C7 0 使數(shù)據(jù)Cache 和指令Cache 無效 0

C7 1 使無效整個(gè)Cache 中的某塊 虛地址

C7 2 使無效整個(gè)Cache 中的某塊 組號(hào)/組內(nèi)序號(hào)

C8 2 等待中斷激活 0

C10 1 清空數(shù)據(jù)Cache 中某塊虛地址

C10 2 清空數(shù)據(jù)Cache 中某塊組號(hào)/組內(nèi)序號(hào)

C10 4 清空寫緩沖區(qū)0

C11 1 清空整個(gè)Caceh 中某塊虛地址

C11 2 清空整個(gè)Caceh 中某塊組號(hào)/組內(nèi)序號(hào)

C13 1 預(yù)取指令Cache 中某塊虛地址

C14 1 清空并使無效數(shù)據(jù)Cache中某塊虛地址

C14 2 清空并使無效數(shù)據(jù)Cache中某塊組號(hào)/組內(nèi)序號(hào)

C15 1 清空并使無效整個(gè)Cache中某塊虛地址

C15 2 清空并使無效整個(gè)Cache中某塊組號(hào)/組內(nèi)序號(hào)

----------------------------------------------------------------------------------

第 35~36 行: 清空寫緩沖區(qū)

第 38~39 行，使DCache, ICache 及頁表的內(nèi)容無效。系統(tǒng)控制協(xié)處理器 CP15 的寄存器 C8就

是用來控制清除 TLB內(nèi)容相關(guān)操作的。指令格式如下:

MCR P15, 0, , , ,

其中 中為將寫入 C8中的數(shù)據(jù); , 的不同組合決定指令執(zhí)行不同的操作

----------------------------------------------------------------------------------

指令 含義

----------------------------------------------------------------------------------

MCR P15,0,Rd,C8,C7,0 0b0000 0b0111 0 DCache,ICache 無效

MCR P15,0,Rd,C8,C7,1 0b0000 0b0111 虛地址 整個(gè)Cache 中單個(gè)地址變換條目無效

MCR P15,0,Rd,C8,C5,0 0b0000 0b0101 0 整個(gè)Cache無效

MCR P15,0,Rd,C8,C5,1 0b0000 0b0101 虛地址 指令Cache 中單個(gè)地址變換條目無效

MCR P15,0,Rd,C8,C6,0 0b0000 0b0110 0 整個(gè)數(shù)據(jù)Cache無效

MCR P15,0,Rd,C8,C6,1 0b0000 0b0110 虛地址 數(shù)據(jù)Cache 中單個(gè)地址變換條目無效

----------------------------------------------------------------------------------

第 41~43 行:加載頁表的首地址到 CP15 協(xié)處理器的寄存器 C2

第 45~53 行:設(shè)置訪問控制權(quán)限。協(xié)處理器 CP15 中 C3 為 DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER,

該寄存器有效位為32，被分成16個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域由兩個(gè)位組成，含義如下:

00：當(dāng)前級(jí)別下，該內(nèi)存區(qū)域不允許被訪問，任何的訪問都會(huì)引起一個(gè) domain fault

01：當(dāng)前級(jí)別下，該內(nèi)存區(qū)域的訪問必須配合該內(nèi)存區(qū)域的段描述符中AP位進(jìn)行權(quán)檢查

10：保留狀態(tài)

11：當(dāng)前級(jí)別下，對(duì)該內(nèi)存區(qū)域的訪問都不進(jìn)行權(quán)限檢查

注意第 49 行我們用的是 "mvn r0, #0" 而非 "mov r0, #0"

第 59~76 行, 設(shè)置并啟用 MMU。這幾行代碼主要是設(shè)置了 CP15 的寄存器 C1。C1 是一個(gè)控制寄

存器它包括以下功能:

禁止/使能 MMU 以及其它的與存儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)的功能

配置存儲(chǔ)系統(tǒng)以及 ARM 處理器中的相關(guān)部分的工作方式

來看一下 C1 寄存器具體是什么樣子:

各控制位含義如下表:

----------------------------------------------------------------------------------

C1中的控制位 含義

----------------------------------------------------------------------------------

M 禁止/使能 MMU

A 禁止/使能地址對(duì)齊檢查功能

C 禁止/使能整個(gè) Cache

W 禁止/使能寫緩沖

P 32/26地址模式

D 禁止/使能26地址異常檢查

L 早期/后期中止模型

B little-endian/big-endian

S 在 MMU 啟用時(shí)用作系統(tǒng)保護(hù)

R 在 MMU 啟用時(shí)用作系統(tǒng)保護(hù)

F 由生產(chǎn)商定義

Z 禁止/使能跳轉(zhuǎn)預(yù)測(cè)指令

I 禁止/使能 Cache

V 低端/高端異常中斷向量表

RR 對(duì)系統(tǒng)中的 Cache 選擇淘汰算法

L4 提供對(duì)以前的 ARM 的版本兼容

bits[31:16] 保留

----------------------------------------------------------------------------------

第 77~79 行: 這是使用嵌入?yún)R編的方式，第 78 行的 "r"(ttb) 表示變量 ttb 的值賦給一個(gè)寄

存器作為輸入?yún)?shù)，這個(gè)寄存器由編譯器自動(dòng)分配。我們看到第 42 行的 "%0" 被用來表示這個(gè)

寄存器。

......呵呵，總算講完 MMU 這一塊了，程序不多，可引出的內(nèi)容不少!

(9) 第 38~48 行設(shè)置 irq 模式和 system 模式下的堆棧寄存器，然后程序運(yùn)行在 system 模式下，

調(diào)用 main 函數(shù)后返回, 循環(huán)并等待中斷發(fā)生......

這就是 start.S 程序的整個(gè)流程，關(guān)鍵是 MMU 如何設(shè)置和啟用。其它代碼都有詳細(xì)的注釋。我在下