ARM存储办理体系MMU

CPU经过地址来拜访内存中的单元，地址有虚拟地址和物理地址之分。假如CPU没有MMU（Memory Management Unit，内存办理单元），或许有MMU但没有启用，CPU在拜访内存时宣布的地址将直接传送到地址总线上，使具有相同地址的物理存储器被读写。这称为物理地址（Physical Address，以下简称PA），如下图所示：

图1.物理地址示意图

假如CPU启用了MMU，CPU核宣布的地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址（Virtual Address，以下简称VA），而MMU将这个地址翻译成实在的物理地址发送到地址总线上，也便是将虚拟地址映射成物理地址，如下图所示：

图2.虚拟地址示意图

二、虚拟地址映射物理地址原理

页表是完结虚拟地址到物理地址转化的一个重要手法。咱们在运用MMU曾经，需求在内存中新建一个页表。表中的每一行（即一个字的巨细）寄存的是一个物理内存页的基地址，该页的拜访权限和缓冲特性等，这儿将页表中这样的一行称为一个地址改换条目。页表寄存在内存中，CP15的C2寄存器用来寄存页表的基地址。

大都运用虚拟存储器的体系都运用一种称为分页（paging）。虚拟地址空间区分红称为页（page）的单位。而相应的物理地址空间也被进行区分，单位是页框(frame).页和页框的巨细有必要相同。

虚拟地址被MMU分为两部分，，榜首部分是页号索引（page Index），第二部分则是相对该页首地址的偏移量（offset）

当CPU拜访一个地址时，该地址是虚拟地址，所以该地址被送到MMU，MMU再依据虚拟地址的高几位作为页号索引，在页表中寻觅对应的地址改换条目。从地址改换条目中找到物理地址的页基地址，再加上虚拟地址中的偏移量，便得到了实在的物理地址，然后由MMU将物理地址发送到地址总线上，拜访物理内存。

那么MMU是怎样运用页号索引在页表中找到对应的地址改换条目呢？MMU会用CP15协处理其间的C2寄存器寄存的页表基地址加上虚拟地址的页号索引值，然后便得到了页表中对应的地址改换条目的地址。其实页号索引便是相关于页表基地址的一个偏移量，然后运用基地址加偏移量的方法得到一个页表中的地址。

例：如图所示，假如分页巨细为1M，虚拟地址为0x30000012,

虚拟地址的二进制码为00110000 00000000 00000000 00010010 前12位为页号索引，后20位为偏移量，由于2^20 = 1M

前12位页号索引为00110000 0000 = 768，所以在页表中找到相关于页表基地址的偏移量为768的地址，然后得到地址改换条目。所以0x0300 << 20位，便得到了物理页基地址，再加上虚拟地址中的偏移位0000 00000000 00010010 = 0x12，便得到了实在的物理地址0x30000012。

1、TLB的概念

从虚拟地址到物理地址的改换进程其实便是查询页表的进程，由于页表寄存在内存中，这个查询进程一般价值很大。而程序在履行进程中具有局部性，也便是说，一段时间内，对页表的拜访仅仅限制在少量几个单元中。依据这个特色，选用一个容量更小、拜访速度更快的存储器来寄存当时拜访需求的地址改换条目。这个小容量的页表称为快表，也称TLB.

当CPU拜访内存时，现在TLB中查找需求的地址改换条目。假如该条目不存在，CPU从坐落内存的页表中查询，并把相应的成果添加到TLB中。这样，当CPU下一次又需求该地址改换条目时，能够从TLB中直接得到，然后使地址改换的速度大大加速。

当内存中的页表内容改动，或许经过修正CP15中的寄存器C2运用新的页表时，TLB的内容需求悉数铲除。MMU供给了相关的硬件支撑这种操作。CP15中的寄存器C8用来 操控铲除TLB内容的相关操作。

MMU能够将某些地址改换条目确认在TLB中，然后使得进行与该地址改换条目相关的地址改换速度坚持很快。在MMU中C10用于操控TLB内容的确认。

注：TLB中寄存的是地址改换条目，相当于一个小页表。

• 使无效TLB内容

当内存中的页表内容改动，或许经过修正协处理器CP15的寄存器来运用新的页表时，TLB中的内容需求悉数或许部分使无效。所谓使无效是指将TLB中的某个地址的地址改换条目表明成无效，然后在TLB中找不到该地址改换条目，而需求到内存页表中从头查找该地址改换条目。假如不进行TLB的使无效操作，或许形成同一个虚拟地址对应于不同的物理地址（TLB中保存的仍是旧的地址映射联系，而内存中的页表现已存了新的地址映射联系）。

有时候页表或许仅仅部分内容改动了，只影响了很少的地址映射联系，这种情况下，能够只使无效TLB对应的单个地址改换条目或许会进步体系功能。

体系协处理器CP15的寄存器C8便是铲除TLB内容的相关操作。它是一个只写的寄存器。

MCR p15，0，Rd，c8，CRm，opcode_2

Rd中为要写入C8寄存器的内容，CRm和opcode_2的不同组合决议指令履行的不同操作。

MCR p15, 0, Rd, c8, c5, 0

MCR p15, 0, Rd, c8, c5, 1

MCR p15, 0, Rd, c8, c6, 0

MCR p15, 0, Rd, c8, c6, 1

MCR p15, 0, , c8, c7, 0

MCR p15, 0, , c8, c7, 1

• 确认TLB的内容

2、存储拜访进程

a、使能MMU时的存储拜访进程。

当ARM处理器恳求存储拜访时，首要在TLB中查找虚拟地址。假如体系中数据TLB和指令TLB是分隔的，在取指令时，从指令TLB查找相应的虚拟地址，关于其他内存拜访操作，从数据TLB中查找相应的虚拟地址。

假如虚拟地址对应的地址改换条目不在TLB中，CPU从坐落内存的页表中查询，并把相应的成果添加到TLB中。假如TLB现已满了，还需求依据必定的筛选算法进行替换。这样，当CPU下一次又需求该地址改换条目时，能够从TLB中直接得到，然后使地址改换的速度大大加速。

当得到了需求的地址改动条目今后，将进行以下操作

• 制止MMU时，是否支撑cache和write buffer由各个具体芯片的规划确认。假如芯片规则制止MMU时制止cache和write buffer，则存储拜访将不考虑C、B操控位。假如芯片规则当制止MMU时能够使能cache和write buffer，则数据拜访时，C=0，B=0;指令读取时，假如运用分隔的TLB则C=1，假如运用一致的TLB则C=0;
• 存储拜访不进行权限操控，MMU也不会发生存储拜访间断信号
• 一切的物理地址和虚拟地址持平，即运用平板形式

• 在使能MMU之前，要在内存中树立页号表，一起CP15中的各相关寄存器有必要完结初始化。
• 假如运用的不是平板存储形式（物理地址和虚拟地址持平），在制止/使能MMU时，虚拟地址和物理地址的对应联系会发生改动，这时应该铲除cache中的当时地址改换条目
• 假如完结制止/使能MMU的代码的物理地址和虚拟地址不相同，则制止/使能MMU时会形成很大费事，因而强烈建议完结制止/使能 MMU的代码的物理地址和虚拟地址最好相同

bits[1:0]:

　b、二级映射

当运用二级映射时，一级页表L1依然存在，可是一级页表中不再寄存物理段基地址了，而是寄存了二级页表的基地址，也便是二级页表的首地址。

　　一级页表要表明4G的地址规模，总共4096项，每一项都表明1M的巨细。二级页表相当于对一级页表这1M的规模作更具体的区分，所以每个二级页表要表明1M的地址规模。