S3C2440存儲控制器和MMU淺析

如果大家寫過S3C2440的ARM裸機(jī)程序都應(yīng)該知道通常SDRAM的起始地址是0X30000000，但是大家有沒有想過為什么呢？下面我將給大家做一個簡要的介紹。

查S3C2440的手冊可知S3C2440可尋址1G的地址范圍，但是S3C2440的地址線只有27根，理論上只能尋址2的27次方等于128M的地址范圍。于是S3C2440通過一個叫BANK的東東解決了這個問題。S3C2440引出了8根BANK線（對應(yīng)nGCS0~ nGCS7）,通過這個8根線來選通和關(guān)閉不同的存儲器，這樣S3C2440最多就可以連接8個128M的存儲器，只要在某一時刻只選通一個BANK就可以實(shí)現(xiàn)1G的尋址空間每個BANK有個地址，對該BANK地址的訪問實(shí)際上就是選通該BANK，于是ARM核只要發(fā)出一個地址，然后S3C2440的儲存控制器只要把該地址解釋成兩部分：一部分是BANK地址一部分是連接到該BANK存儲器內(nèi)部的地址就可以訪問了。

而作為32位的CPU，可以使用的地址范圍理論上可以達(dá)到2的32次方等于4G，除去上述的1G地址空間，還有一部分是CPU內(nèi)部寄存器的地址，剩下的地址空間沒有使用。

下面我們來看到S3C2440存儲器的地址空間分布圖

左邊的是表示CPU從NOR FLASH啟動時的地址空間圖，右邊是CPU從NAND FLASH啟動時的地址空間圖。從圖中可以看出SDRAM接在BANK6上面，地址為0X30000000，這就解釋了開始最開始的那個問題。問題又來了為什么CPU從NAND和NOR啟動時地址空間不同？這是因?yàn)镹OR是線性結(jié)構(gòu)，跟普通的內(nèi)存差不多，它接在BANK0上。而NAND則是另外一種結(jié)構(gòu)，S3C2440有專用的NAND控制器和地址線來連接，它不能接在BANK0上。CPU啟動時必定從0地址開始執(zhí)行程序，而從NAND啟動時，0地址沒有存儲器，那CPU怎么辦呢？于是就出現(xiàn)了一種叫“起步石”（stepping stone）的東東,它是S3C2440內(nèi)部的一塊4K的存儲器，當(dāng)從NAND啟動時，0地址線會連接到起步石上面，同時CPU會通過內(nèi)部的硬件將NAND FLASH開始的4K數(shù)據(jù)復(fù)制到起步石里面。起步石里面的程序一般設(shè)計為對SDRAM進(jìn)行初始化，然后將NAND里面的部分程序復(fù)制到SDARM，然后跳到SDRAM開始執(zhí)行程序。所以當(dāng)做U-BOOT移植使其支持從NAND的啟動時，需要對NAND的前4K程序做處理。

下面我們再來看看S3C440存儲控制器一般所接外設(shè)的訪問地址和部分寄存器的訪問地址

二、S3C2440MMU

1.MMU的作用

我們再第一部分討論的全部都是物理地址，注意不要與這部分要將的虛擬地址給混淆起來。

內(nèi)存管理單元（Memory ManagerUnit）簡稱MMU。它負(fù)責(zé)將虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址，然后傳給上部分介紹的存儲管理器進(jìn)行尋址。

現(xiàn)代的多用戶多進(jìn)程操作系統(tǒng)通過MMU使各個用戶進(jìn)程都有自己的獨(dú)立的地址空間：地址映射功能功能使的個進(jìn)程擁有“看起來”一樣的地址空間，而內(nèi)存訪問權(quán)限的檢查可以保護(hù)每個進(jìn)程所用的內(nèi)存不會被其他進(jìn)程破壞。

我來打個蹩腳的例子。甲同學(xué)（進(jìn)程甲）去一個圖書管理員那兒去借名為“內(nèi)存”的一本書，說他7點(diǎn)鐘要用。圖書管理員給甲同學(xué)一個牌子上面寫著哪個層樓房哪個房間有這本書，不過這塊牌子只能7點(diǎn)鐘去取書，且只能借三個小時（權(quán)限）,而乙同學(xué)同樣要借這本書不過是12點(diǎn)，圖書館同樣給乙同學(xué)一塊牌子，不同的時這塊牌子只能12點(diǎn)鐘去取書也只能借三個小時。結(jié)果是甲乙同學(xué)都借到了這本書，他們都感覺擁有了這本書，在他們擁有這本書的期間不會被其他同學(xué)打擾。實(shí)際上這里的同學(xué)就代表進(jìn)程，圖書管理員代表是內(nèi)核，牌子代表的是虛擬地址，書代表實(shí)際的內(nèi)存，而MMU完成的工作就是拿到同學(xué)的牌子幫同學(xué)找到書的過程。

虛擬地址最終要轉(zhuǎn)成物理地址才能讀寫實(shí)際的數(shù)據(jù)，這通過將虛擬地址空間、物理地址空間劃分為一個同樣大小的一塊塊小空間，然后為著兩類小空間建立映射空間，有可能多塊虛擬地址映射到同一塊物理地址空間，或者有些虛擬地址空間映射具體物理地址空間上去。啟動MMU后，CPU對外發(fā)出虛擬地址，然后MMU將虛擬地址轉(zhuǎn)成物理地址再進(jìn)行訪問。

2.虛擬地址空間到物理空間的轉(zhuǎn)換過程

在ARM CPU中使用頁表的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。linux內(nèi)核一般使用兩級頁表的方式。頁表是個什么東東，他就像我們的書上的目錄，有主目錄，次目錄。當(dāng)我們要找一個知識點(diǎn)的時候先找到主目錄，然后再找到次目錄再找到相應(yīng)的知識點(diǎn)。每一個進(jìn)程都會在內(nèi)存里面創(chuàng)建一個目錄，目錄的存放地址保存起來。當(dāng)需要訪問目錄時，就會將目錄放到CPU的一個專用寄存器里面，然后MMU讀取這個寄存器里面的值就會幫我們找到我們要訪問的物理地址。

頁表是怎樣建立的呢？

實(shí)際上它就是在內(nèi)存的一個地址內(nèi)存放了第一級目錄的內(nèi)存地址，然后在第一個級的目錄的內(nèi)存內(nèi)又存放了實(shí)際的物理地址。