ARM存儲(chǔ)器之：存儲(chǔ)管理單元MMU
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15.5存儲(chǔ)管理單元MMU
在創(chuàng)建多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，最好有一個(gè)簡單的方式來編寫、裝載及運(yùn)行各自獨(dú)立的任務(wù)。目前大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)不再使用自己定制的控制系統(tǒng)，而使用操作系統(tǒng)來簡化這個(gè)過程。較高級(jí)的操作系統(tǒng)采用基于硬件的存儲(chǔ)管理單元MMU來實(shí)現(xiàn)上述操作。
MMU提供的一個(gè)關(guān)鍵服務(wù)是使各個(gè)任務(wù)作為各自獨(dú)立的程序在其自己的私有存儲(chǔ)空間中運(yùn)行。在帶MMU的操作系統(tǒng)控制下，運(yùn)行的任務(wù)無須知道其他與之無關(guān)的任務(wù)的存儲(chǔ)需求情況，這就簡化了各個(gè)任務(wù)的設(shè)計(jì)。
MMU提供了一些資源以允許使用虛擬存儲(chǔ)器（將系統(tǒng)物理存儲(chǔ)器重新編址，可將其看成一個(gè)獨(dú)立于系統(tǒng)物理存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間）。MMU作為轉(zhuǎn)換器，將程序和數(shù)據(jù)的虛擬地址（編譯時(shí)的連接地址）轉(zhuǎn)換成實(shí)際的物理地址，即在物理主存中的地址。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程允許運(yùn)行的多個(gè)程序使用相同的虛擬地址，而各自存儲(chǔ)在物理存儲(chǔ)器的不同位置。
這樣存儲(chǔ)器就有兩種類型的地址：虛擬地址和物理地址。虛擬地址由編譯器和連接器在定位程序時(shí)分配；物理地址用來訪問實(shí)際的主存硬件模塊（物理上程序存在的區(qū)域）。
15.5.1MMU概述
內(nèi)存管理單位MMU對(duì)處理器內(nèi)存提供了很好的管理。這種管理主要是通過一個(gè)叫作傳輸表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)傳輸表存在于內(nèi)存中，它有多個(gè)稱為Entry的入口，每個(gè)入口定義了存儲(chǔ)空間的一個(gè)頁，頁的大小從1KB到1MB，同時(shí)定義了這些頁的屬性。
ARM系統(tǒng)中，MMU主要完成以下工作：
①虛擬存儲(chǔ)空間到物理存儲(chǔ)空間的映射，它能夠?qū)崿F(xiàn)從虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換；
②存儲(chǔ)器訪問權(quán)限的控制；
③設(shè)置虛擬存儲(chǔ)空間的緩存特性。
MMU通過它的協(xié)處理器寄存器來確定傳輸表在內(nèi)存中的位置，并通過這些寄存器來向ARM處理器提供內(nèi)存訪問錯(cuò)誤信息。
從虛擬地址到物理地址的變換過程是查詢傳輸表的過程，由于傳輸表放在內(nèi)存中，這個(gè)查詢過程通常代價(jià)很大。這個(gè)訪問時(shí)間通常是1～2個(gè)內(nèi)存周期。為了減少平均內(nèi)存訪問時(shí)間，ARM結(jié)構(gòu)體系中采用一個(gè)容量更?。ㄍǔ?～16個(gè)字）、訪問速度和CPU中通用寄存器相當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)器件來存放當(dāng)前訪問需要的地址變換條目，它是一個(gè)小容量的Cache。這個(gè)小容量的頁表Cache稱為TLB（TranslationLookasideBuffer）。
| 注意 | 如果系統(tǒng)中使用數(shù)據(jù)和指令統(tǒng)一存儲(chǔ)系統(tǒng)，那么TLB也將是統(tǒng)一的。如果系統(tǒng)是數(shù)據(jù)和指令分開的存儲(chǔ)系統(tǒng)，那么TLB也將分為數(shù)據(jù)TLB和指令TLB。 |
MMU可以將整個(gè)存儲(chǔ)空間分為最多16個(gè)域（domain）。每個(gè)域?qū)?yīng)一定的內(nèi)存區(qū)域，該內(nèi)存區(qū)域具有相同的訪問控制屬性。MMU中寄存器c3用于控制與域有關(guān)的屬性配置。
表15.20列出了與MMU有關(guān)的協(xié)處理器寄存器及其作用。
表15.20 與MMU有關(guān)的協(xié)處理器寄存器
協(xié)處理器寄存器 | 作用 |
c1中某些位 | 配置MMU中的一些操作 |
c2 | 保存內(nèi)存中頁表基地址 |
c3 | 設(shè)置域訪問權(quán)限 |
c4 | 保留 |
c5 | 內(nèi)存訪問失效狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn) |
c6 | 內(nèi)存訪問失效時(shí)失效地址 |
c8 | 控制與清除TLB內(nèi)容相關(guān)的操作 |
c10 | 控制與鎖定TLB內(nèi)容相關(guān)的操作 |
15.5.2MMU與MPU
在ARM體系結(jié)構(gòu)中，MMU將MPU的功能大大地增加，使系統(tǒng)內(nèi)存管理更加靈活、方便。在MPU中引入了“域”的概念來管理內(nèi)存，而且域是在專用寄存器中設(shè)置的。而MMU將域設(shè)置從寄存器移到了內(nèi)存單位，這樣使域的設(shè)置更加靈活，但同時(shí)也增加了系統(tǒng)訪問時(shí)間。
另外，除了提供內(nèi)存保護(hù)功能外，MMU還增加了虛擬地址到物理地址的映射。在只有MPU的系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)被編譯和運(yùn)行在彼此不同的、固定的主存地址空間，每個(gè)任務(wù)只能在一個(gè)進(jìn)程空間中運(yùn)行，任何兩個(gè)任務(wù)都不能在主存中有重疊地址。為了運(yùn)行一個(gè)任務(wù)，一個(gè)保護(hù)區(qū)域被設(shè)置在固定地址的程序上，以允許任務(wù)訪問由該區(qū)域定義的一段存儲(chǔ)空間。保護(hù)區(qū)域的放置使得該任務(wù)得以運(yùn)行，而其他任務(wù)空間被保護(hù)。
而使用MMU中虛擬地址到物理地址的映射功能，即使任務(wù)被編譯、連接、運(yùn)行在主存中有重疊地址的區(qū)域中，它們?nèi)匀豢梢赃\(yùn)行。MMU中對(duì)虛存的支持可使構(gòu)建后的嵌入式系統(tǒng)具有多個(gè)虛擬存儲(chǔ)映射和單個(gè)物理存儲(chǔ)器映射。每個(gè)任務(wù)擁有自己的虛擬存儲(chǔ)器映射，以編譯和連接組成此任務(wù)的代碼和數(shù)據(jù)。內(nèi)核層管理各個(gè)任務(wù)在物理存儲(chǔ)器中的放置，使得它們在物理存儲(chǔ)器中擁有彼此不同的地址，這個(gè)地址與其設(shè)計(jì)時(shí)的虛擬運(yùn)行地址不一樣。
15.5.3內(nèi)存訪問過程
當(dāng)處理器產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)存訪問請(qǐng)求時(shí)，將傳輸一個(gè)虛擬地址給MMU，MMU首先遍歷TLB（如果使用分離的存儲(chǔ)系統(tǒng)，它將分別遍歷數(shù)據(jù)TLB和指令TLB）。如果TLB中不保護(hù)虛擬地址入口（Entry），那么它將轉(zhuǎn)入保存在內(nèi)存中的傳輸主表，來獲得所有訪問地址的物理地址和訪問權(quán)限。一旦訪問成功，它將新的虛擬地址入口（Entry）信息保存在TLB中，以備下次查詢使用。
當(dāng)?shù)玫搅说刂纷儞Q入口（Entry）后，將進(jìn)行以下操作：
①根據(jù)入口（Entry）中的C（cachable）控制位和B（Bufferable）控制位決定是否緩存該內(nèi)存訪問結(jié)果。
②根據(jù)訪問權(quán)限控制位和域訪問控制位確定該內(nèi)存訪問是否被允許。如果該內(nèi)存訪問不被允許，CP15向ARM處理器報(bào)告存儲(chǔ)訪問中止。
③對(duì)應(yīng)不允許緩存的存儲(chǔ)訪問，直接得到物理地址訪問內(nèi)存。對(duì)于允許緩存的存儲(chǔ)訪問，如果在Cache命中，則忽略物理地址；如果Cache沒有命中，則使用物理地址訪問內(nèi)存，并把該數(shù)據(jù)塊讀到Cache中。
圖15.23為帶Cache的MMU存儲(chǔ)訪問示意圖。
圖15.23帶Cache的MMU存儲(chǔ)訪問示意圖
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