解析S3C2410 MMU（存儲(chǔ)器管理單元）

我們大致了解了MMU在我們的機(jī)器中扮演了什么角色以及它基本的工作內(nèi)容是什么，下面我們將舉例子說明它究竟是如何工作的(注意，本例中的MMU并無針對(duì)某種特定的機(jī)型，它是所有MMU工作的一個(gè)抽象)。

我們已經(jīng)知道，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)的技術(shù)，就象我們剛才所舉的例子，虛擬地址空間被分成大小相同的一組頁，每個(gè)頁有一個(gè)用來標(biāo)示它的頁號(hào)(這個(gè)頁號(hào)一般是它在該組中的索引，這點(diǎn)和C/C++中的數(shù)組相似)。在上面的例子中0~4K的頁號(hào)為0，4~8K的頁號(hào)為1，8~12K的頁號(hào)為2，以此類推。而虛擬地址(注意：是一個(gè)確定的地址，不是一個(gè)空間)被MMU分為2個(gè)部分，第一部分是頁號(hào)索引(page Index)，第二部分則是相對(duì)該頁首地址的偏移量(offset). 。我們還是以剛才那個(gè)16位機(jī)器結(jié)合下圖進(jìn)行一個(gè)實(shí)例說明，該實(shí)例中，虛擬地址8196被送進(jìn)MMU,MMU把它映射成物理地址。16位的CPU總共能產(chǎn)生的地址范圍是0~64K,按每頁4K的大小計(jì)算，該空間必須被分成16個(gè)頁。而我們的虛擬地址第一部分所能夠表達(dá)的范圍也必須等于16(這樣才能索引到該頁組中的每一個(gè)頁),也就是說這個(gè)部分至少需要4個(gè)bit。一個(gè)頁的大小是4K(4096),也就是說偏移部分必須使用12個(gè)bit來表示(2^12= 4096，這樣才能訪問到一個(gè)頁中的所有地址),8196的二進(jìn)制碼如下圖所示：

該地址的頁號(hào)索引為0010(二進(jìn)制碼)，既索引的頁為頁2，第二部分為000000000100(二進(jìn)制)，偏移量為 4。頁2中的頁框號(hào)為6(頁2映射在頁框6，見上圖)，我們看到頁框6的物理地址是24~28K。于是MMU計(jì)算出虛擬地址8196應(yīng)該被映射成物理地址 24580(頁框首地址+偏移量=24576+4=24580)。同樣的，若我們對(duì)虛擬地址1026進(jìn)行讀取，1026的二進(jìn)制碼為 0000010000000010，page index=0000=0,offset=010000000010=1026。頁號(hào)為0，該頁映射的頁框號(hào)為2，頁框2的物理地址范圍是 8192~12287，故MMU將虛擬地址1026映射為物理地址9218(頁框首地址+偏移量=8192+1026=9218)

以上就是MMU的工作過程。

下面我們針對(duì)s3c2410的MMU(注1)進(jìn)行講解。

S3c2410總共有4種內(nèi)存映射方式，分別是：

1.Fault (無映射)

2.Coarse Page (粗表)

3.Section (段)

4.Fine Page (細(xì)表)

我們以Section(段)進(jìn)行說明。

ARM920T是一個(gè)32bit的CPU,它的虛擬地址空間為2^32=4G。而在Section模式，這4G的虛擬空間被分成一個(gè)一個(gè)稱為段(Section)的單位(與我們上面講的頁在本質(zhì)上其實(shí)是一致的),每個(gè)段的長(zhǎng)度是1M (而我們之前所使用的頁的長(zhǎng)度是4K)。4G的虛擬內(nèi)存總共可以被分成4096個(gè)段(1M*4096=4G),因此我們必須用4096個(gè)描述符來對(duì)這組段進(jìn)行描述，每個(gè)描述符占用4個(gè)Byte,故這組描述符的大小為16KB (4K*4096),這4096個(gè)描述符構(gòu)為一個(gè)表格，我們稱其為Tralaton Table.

上圖是描述符的結(jié)構(gòu)

Section base address:段基地址(相當(dāng)于頁框號(hào)首地址)

AP: 訪問控制位Access Permission

Domain: 訪問控制寄存器的索引。Domain與AP配合使用，對(duì)訪問權(quán)限進(jìn)行檢查

C:當(dāng)C被置1時(shí)為write-through (WT)模式

B: 當(dāng)B被置1時(shí)為write-back (WB)模式

(C,B兩個(gè)位在同一時(shí)刻只能有一個(gè)被置1)

下面是s3c2410內(nèi)存映射后的一個(gè)示意圖：

我的s3c2410上配置的SDRSAM大小為64M,該SDRAM的物理地址范圍是0x3000 0000~0x33FF FFFF(屬于Bank 6)，由于1個(gè)Section的大小是1M,所以該物理空間可以被分成64個(gè)物理段(頁框).

在Section模式下，送進(jìn)MMU的虛擬地址(注1)被分為兩部分(這點(diǎn)和我們上面舉的例子是一樣的)，這兩部分為 Descriptor Index(相當(dāng)于上面例子的Page Index)和 Offset,descript index長(zhǎng)度為12bit(2^12=4096,從這個(gè)關(guān)系式你能看出什么?：) )，Offset長(zhǎng)度為20bit(2^20=1M，你又能看出什么?：)).觀察一下一個(gè)描述符(Descriptor)中的Section Base Address部分，它長(zhǎng)度為12 bit，里面的值是該虛擬段(頁)映射成的物理段(頁框)的物理地址前12bit，由于每一個(gè)物理段的長(zhǎng)度都是1M，所以物理段首地址的后20bit總是為0x00000(每個(gè)Section都是以1M對(duì)齊)，確定一個(gè)物理地址的方法是 物理頁框基地址+虛擬地址中的偏移部分=Section Base Address20+Offset ,呵呵，可能你有點(diǎn)糊涂了，還是舉一個(gè)實(shí)際例子說明吧。假設(shè)現(xiàn)在執(zhí)行指令

MOV REG, 0x30000012

虛擬地址的二進(jìn)制碼為00110000 00000000 00000000 00010010

前 12位是Descriptor Index= 00110000 0000=768,故在Translation Table里面找到第768號(hào)描述符，該描述的Section Base Address=0x0300,也就是說描述符所描述的虛擬段(頁)所映射的物理段(頁框)的首地址為0x3000 0000(物理段(頁框)的基地址=Section Base Address左移20bit=0x030020=0x3000 0000)，而Offset=000000 00000000 00010010=0x12,故虛擬地址0x30000012映射成的物理地址=0x3000 0000+0x12=0x3000 0012(物理頁框基地址+虛擬地址中的偏移)。你可能會(huì)問怎么這個(gè)虛擬地址和映射后的物理地址一樣?這是由我們定義的映射規(guī)則所決定的。在這個(gè)例子中我們定義的映射規(guī)則是把虛擬地址映射成和他相等的物理地址。我們這樣書寫映射關(guān)系的代碼：

void mem_mapping_linear(void)

{

unsigned long descriptor_index, section_base, sdram_base, sdram_size;

sdram_base=0x30000000;

sdram_size=0x 4000000;

for (section _base= sdram_base,descriptor_index = section _base>>20;

section _base sdram_base+ sdram_size;