解析S3C2410 MMU（存儲(chǔ)器管理單元）

MMU,全稱Memory Manage Unit, 中文名——存儲(chǔ)器管理單元。

許多年以前，當(dāng)人們還在使用DOS或是更古老的操作系統(tǒng)的時(shí)候，計(jì)算機(jī)的內(nèi)存還非常小，一般都是以K為單位進(jìn)行計(jì)算，相應(yīng)的，當(dāng)時(shí)的程序規(guī)模也不大，所以內(nèi)存容量雖然小，但還是可以容納當(dāng)時(shí)的程序。但隨著圖形界面的興起還用用戶需求的不斷增大，應(yīng)用程序的規(guī)模也隨之膨脹起來，終于一個(gè)難題出現(xiàn)在程序員的面前，那就是應(yīng)用程序太大以至于內(nèi)存容納不下該程序，通常解決的辦法是把程序分割成許多稱為覆蓋塊(overlay)的片段。覆蓋塊0首先運(yùn)行，結(jié)束時(shí)他將調(diào)用另一個(gè)覆蓋塊。雖然覆蓋塊的交換是由OS完成的，但是必須先由程序員把程序先進(jìn)行分割，這是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，而且相當(dāng)枯燥。人們必須找到更好的辦法從根本上解決這個(gè)問題。不久人們找到了一個(gè)辦法，這就是虛擬存儲(chǔ)器(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。

任何時(shí)候，計(jì)算機(jī)上都存在一個(gè)程序能夠產(chǎn)生的地址集合，我們稱之為地址范圍。這個(gè)范圍的大小由CPU的位數(shù)決定，例如一個(gè)32位的CPU，它的地址范圍是0~0xFFFFFFFF (4G),而對(duì)于一個(gè)64位的CPU，它的地址范圍為0~0xFFFFFFFFFFFFFFFF (64T).這個(gè)范圍就是我們的程序能夠產(chǎn)生的地址范圍，我們把這個(gè)地址范圍稱為虛擬地址空間，該空間中的某一個(gè)地址我們稱之為虛擬地址。與虛擬地址空間和虛擬地址相對(duì)應(yīng)的則是物理地址空間和物理地址，大多數(shù)時(shí)候我們的系統(tǒng)所具備的物理地址空間只是虛擬地址空間的一個(gè)子集，這里舉一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子直觀地說明這兩者，對(duì)于一臺(tái)內(nèi)存為256MB的32bit x86主機(jī)來說，它的虛擬地址空間范圍是0~0xFFFFFFFF(4G),而物理地址空間范圍是0x000000000~0x0FFFFFFF(256MB)。

在沒有使用虛擬存儲(chǔ)器的機(jī)器上，虛擬地址被直接送到內(nèi)存總線上，使具有相同地址的物理存儲(chǔ)器被讀寫。而在使用了虛擬存儲(chǔ)器的情況下，虛擬地址不是被直接送到內(nèi)存地址總線上，而是送到內(nèi)存管理單元——MMU(主角終于出現(xiàn)了：])。他由一個(gè)或一組芯片組成，一般存在與協(xié)處理器中，其功能是把虛擬地址映射為物理地址。

大多數(shù)使用虛擬存儲(chǔ)器的系統(tǒng)都使用一種稱為分頁(paging)。虛擬地址空間劃分成稱為頁(page)的單位,而相應(yīng)的物理地址空間也被進(jìn)行劃分，單位是頁框(frame).頁和頁框的大小必須相同。接下來配合圖片我以一個(gè)例子說明頁與頁框之間在MMU的調(diào)度下是如何進(jìn)行映射的

在這個(gè)例子中我們有一臺(tái)可以生成16位地址的機(jī)器，它的虛擬地址范圍從0x0000~0xFFFF(64K),而這臺(tái)機(jī)器只有32K的物理地址，因此他可以運(yùn)行64K的程序，但該程序不能一次性調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行。這臺(tái)機(jī)器必須有一個(gè)達(dá)到可以存放64K程序的外部存儲(chǔ)器(例如磁盤或是FLASH),以保證程序片段在需要時(shí)可以被調(diào)用。在這個(gè)例子中，頁的大小為4K,頁框大小與頁相同(這點(diǎn)是必須保證的，內(nèi)存和外圍存儲(chǔ)器之間的傳輸總是以頁為單位的)，對(duì)應(yīng)64K的虛擬地址和32K的物理存儲(chǔ)器，他們分別包含了16個(gè)頁和8個(gè)頁框。

我們先根據(jù)上圖解釋一下分頁后要用到的幾個(gè)術(shù)語，在上面我們已經(jīng)接觸了頁和頁框，上圖中綠色部分是物理空間，其中每一格表示一個(gè)物理頁框。橘黃色部分是虛擬空間，每一格表示一個(gè)頁，它由兩部分組成，分別是Frame Index(頁框索引)和位p(present 存在位)，F(xiàn)rame Index的意義很明顯，它指出本頁是往哪個(gè)物理頁框進(jìn)行映射的，位p的意義則是指出本頁的映射是否有效，如上圖，當(dāng)某個(gè)頁并沒有被映射時(shí)(或稱“映射無效”，F(xiàn)rame Index部分為X)，該位為0，映射有效則該位為1。

我們執(zhí)行下面這些指令(本例子的指令不針對(duì)任何特定機(jī)型，都是偽指令)

例1：

MOVE REG,0 //將0號(hào)地址的值傳遞進(jìn)寄存器REG.

虛擬地址0將被送往MMU,MMU看到該虛地址落在頁0范圍內(nèi)(頁0范圍是0到4095)，從上圖我們看到頁0所對(duì)應(yīng)(映射)的頁框?yàn)?(頁框2的地址范圍是8192到12287)，因此MMU將該虛擬地址轉(zhuǎn)化為物理地址8192，并把地址8192送到地址總線上。內(nèi)存對(duì)MMU的映射一無所知，它只看到一個(gè)對(duì)地址8192的讀請(qǐng)求并執(zhí)行它。MMU從而把0到4096的虛擬地址映射到8192到12287的物理地址。

例2：

MOVE REG,8192

被轉(zhuǎn)換為

MOVE REG,24576

因?yàn)樘摂M地址8192在頁2中，而頁2被映射到頁框6(物理地址從24576到28671)

例3：

MOVE REG,20500

被轉(zhuǎn)換為

MOVE REG,12308

虛擬地址20500在虛頁5(虛擬地址范圍是20480到24575)距開頭20個(gè)字節(jié)處，虛頁5映射到頁框3(頁框3的地址范圍是 12288到16383)，于是被映射到物理地址12288+20=12308。

通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)置MMU，可以把16個(gè)虛頁隱射到8個(gè)頁框中的任何一個(gè)，但是這個(gè)方法并沒有有效的解決虛擬地址空間比物理地址空間大的問題。從上圖中我們可以看到，我們只有8個(gè)頁框(物理地址)，但我們有16個(gè)頁(虛擬地址)，所以我們只能把16個(gè)頁中的8個(gè)進(jìn)行有效的映射。我們看看例4會(huì)發(fā)生什么情況

MOV REG,32780

虛擬地址32780落在頁8的范圍內(nèi)，從上圖總我們看到頁8沒有被有效的進(jìn)行映射(該頁被打上X)，這是又會(huì)發(fā)生什么?MMU注意到這個(gè)頁沒有被映射，于是通知CPU發(fā)生一個(gè)缺頁故障(page fault).這種情況下操作系統(tǒng)必須處理這個(gè)頁故障，它必須從8個(gè)物理頁框中找到1個(gè)當(dāng)前很少被使用的頁框并把該頁框的內(nèi)容寫入外圍存儲(chǔ)器(這個(gè)動(dòng)作被稱為page copy)，隨后把需要引用的頁(例4中是頁8)映射到剛才釋放的頁框中(這個(gè)動(dòng)作稱為修改映射關(guān)系)，然后從新執(zhí)行產(chǎn)生故障的指令(MOV REG,32780)。假設(shè)操作系統(tǒng)決定釋放頁框1，那么它將把虛頁8裝入物理地址的4-8K,并做兩處修改：首先把標(biāo)記虛頁1未被映射(原來虛頁1是被影射到頁框1的)，以使以后任何對(duì)虛擬地址4K到8K的訪問都引起頁故障而使操作系統(tǒng)做出適當(dāng)?shù)膭?dòng)作(這個(gè)動(dòng)作正是我們現(xiàn)在在討論的)，其次他把虛頁8對(duì)應(yīng)的頁框號(hào)由X變?yōu)?，因此重新執(zhí)行MOV REG,32780時(shí)，MMU將把32780映射為4108。