ARM存儲(chǔ)器之：存儲(chǔ)管理單元MMU

15.5.4MMU的使能與禁止

MMU的使能/禁止可以通過(guò)CP15寄存器的c1的bit[0]來(lái)控制。

·bit[0]=0，MMU禁止。

·bit[0]=1，MMU使能。

下面的例子顯示了典型的MMU使能過(guò)程。

【例15.4】典型的MMU使能過(guò)程。

MRCp15，0，r0，c1，0，0

ORRr0，＃01

MCRp15，0，r0，c1，0，0

當(dāng)MMU被禁止時(shí)，存儲(chǔ)訪問(wèn)執(zhí)行下列過(guò)程。

①當(dāng)禁止MMU時(shí)，存儲(chǔ)系統(tǒng)是否支持Cache和寫(xiě)緩存，根據(jù)不同芯片設(shè)計(jì)不同而有所不同（ARM公司將設(shè)計(jì)權(quán)交給芯片廠商）。

·如果芯片規(guī)定當(dāng)禁止MMU時(shí)禁止Cache和寫(xiě)緩存，則存儲(chǔ)訪問(wèn)不考慮C、B控制位。

·如果芯片規(guī)定禁止MMU時(shí)使能Cache和寫(xiě)緩存，則數(shù)據(jù)訪問(wèn)被視為無(wú)Cache（uncachable）和寫(xiě)緩存（unbufferable）的，即C=0、B=0。讀取指令時(shí)，如果系統(tǒng)是統(tǒng)一的TLB，則C=0；如果使用分開(kāi)的TLB，則C=1。

②存儲(chǔ)訪問(wèn)不受權(quán)限控制，MMU也不會(huì)產(chǎn)生存儲(chǔ)訪問(wèn)中止信號(hào)。

③所有物理地址和虛擬地址相等，即使用平板存儲(chǔ)模式。

使能/禁止MMU時(shí)需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

·在使能MMU之前，正確的傳輸表要在內(nèi)存中事先建立，CP15的相關(guān)寄存器必須完成初始化操作。

·如果使用的不是平板存儲(chǔ)模式（物理地址和對(duì)應(yīng)虛擬地址相等），在禁止/使能MMU時(shí)，虛擬地址和物理地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)生變化，這時(shí)應(yīng)該清除（Flush）Cache中的當(dāng)前地址變換入口（Entry）。

·如果完成禁止/使能MMU的代碼的物理地址和虛擬地址不同，則禁止/使能MMU將帶來(lái)很大麻煩，因此建議完成使能/禁止MMU的代碼的物理地址和虛擬地址相同。

15.5.5虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換

（1）地址重定位

為了使任務(wù)有各自的虛擬存儲(chǔ)器映射，MMU硬件采用地址重定位，在地址訪問(wèn)主存之前，轉(zhuǎn)換有處理器輸出的虛擬地址。當(dāng)處理器產(chǎn)生一個(gè)虛擬地址時(shí)，MMU取出這個(gè)虛擬地址的高位，遍歷傳輸表，從而形成一個(gè)物理地址。

虛擬存儲(chǔ)空間到物理存儲(chǔ)空間的映射是以內(nèi)存塊為單位進(jìn)行的。也就是說(shuō)，虛擬存儲(chǔ)空間中一塊連續(xù)的存儲(chǔ)空間被映射到物理存儲(chǔ)空間中同樣大小的一塊連續(xù)存儲(chǔ)空間。

虛擬存儲(chǔ)空間到物理存儲(chǔ)空間地址重映射過(guò)程如圖15.24所示。

圖15.24虛擬存儲(chǔ)空間到物理存儲(chǔ)空間地址重映射過(guò)程

ARM支持的存儲(chǔ)塊的大小有以下幾種。

·段（Sections）：大小為1M的存儲(chǔ)塊。

·大頁(yè)（Largepages）：大小為64KB。

·小頁(yè)（Smallpages）：大小為4KB。

·極小頁(yè)（TinyPages）：大小為1KB。

段和大頁(yè)只需通過(guò)一次映射就可以將虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址，也可以根據(jù)需要增加一級(jí)映射，采用兩級(jí)映射的方式再將大頁(yè)分成16KB的子頁(yè)，小頁(yè)分成1KB的子頁(yè)。極小頁(yè)不能再分，只能以1KB大小的整頁(yè)為單位。

ARM在內(nèi)存中存在兩級(jí)頁(yè)表以實(shí)現(xiàn)上述地址映射過(guò)程。

·一級(jí)頁(yè)表：一級(jí)頁(yè)表包括兩種類型的頁(yè)表項(xiàng)，即保持指向二級(jí)頁(yè)表起始地址的頁(yè)表項(xiàng)和保存用于轉(zhuǎn)換段（Section）地址的頁(yè)表項(xiàng)。一級(jí)頁(yè)表也稱為段頁(yè)表（sectionpagetable）。

·二級(jí)頁(yè)表：二級(jí)頁(yè)表包含以大頁(yè)和小頁(yè)為單位的地址變換頁(yè)表項(xiàng)。

一級(jí)頁(yè)表將4G地址空間劃分為多個(gè)1MB的段（Section），因此一級(jí)頁(yè)表包含4096個(gè)頁(yè)表項(xiàng)。一級(jí)頁(yè)表是一個(gè)混合表，可以作為二級(jí)頁(yè)表的目錄表，也可以作為用于轉(zhuǎn)換1MB段（也可視為1MB的虛擬頁(yè)）的普通頁(yè)表。當(dāng)一級(jí)頁(yè)表作為頁(yè)目錄時(shí)，其頁(yè)表項(xiàng)包含的是代表1MB虛擬空間的二級(jí)頁(yè)表指針。二級(jí)頁(yè)表分為粗頁(yè)表（Coarse）和細(xì)頁(yè)表（Fine）。當(dāng)一級(jí)頁(yè)表用于轉(zhuǎn)換一個(gè)1MB的段時(shí)，其頁(yè)表項(xiàng)包含的是物理存儲(chǔ)器中對(duì)應(yīng)1MB頁(yè)幀（pageframe）的首地址。

一個(gè)粗二級(jí)頁(yè)表（Coarse）包含256個(gè)頁(yè)表項(xiàng)，占有1KB的主存空間，每個(gè)頁(yè)表項(xiàng)將一個(gè)4KB的虛擬存儲(chǔ)塊轉(zhuǎn)換成一個(gè)4KB的物理存儲(chǔ)塊。粗二級(jí)頁(yè)表支持4KB和64KB的頁(yè)，頁(yè)表項(xiàng)包含的是4KB或64KB的頁(yè)幀地址。如果轉(zhuǎn)換的是一個(gè)64KB的頁(yè)，則對(duì)于每個(gè)64KB的頁(yè)，同一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)必須在頁(yè)表中重復(fù)16次。

一個(gè)細(xì)二級(jí)頁(yè)表（Fine）有1024個(gè)頁(yè)表項(xiàng)，占有4KB的主存空間，每個(gè)頁(yè)表項(xiàng)轉(zhuǎn)換一個(gè)1KB的存儲(chǔ)塊。細(xì)頁(yè)表支持1KB、4KB、64KB虛存頁(yè)，每個(gè)頁(yè)表項(xiàng)包含1KB、4KB或64KB的物理頁(yè)幀首地址。如果轉(zhuǎn)換的是4KB的頁(yè)，則同一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)必須在頁(yè)表中連續(xù)重復(fù)4次；如果轉(zhuǎn)換的是64KB的頁(yè)，則同一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)需要在頁(yè)表中連續(xù)重復(fù)64次。