原创 [转载]S3C2410 MMU技术精解

MMU,全称Memory Manage Unit, 中文名——存储器管理单元。

    许多年以前，当人们还在使用DOS或是更古老的操作系统的时候，计算机的内存还非常小，一般都是以K为单位进行计算，相应的，当时的程序规模也不大，所以内存容量虽然小，但还是可以容纳当时的程序。但随着图形界面的兴起还用用户需求的不断增大，应用程序的规模也随之膨胀起来，终于一个难题出现在程序员的面前，那就是应用程序太大以至于内存容纳不下该程序，通常解决的办法是把程序分割成许多称为覆盖块（overlay）的片段。覆盖块0首先运行，结束时他将调用另一个覆盖块。虽然覆盖块的交换是由OS完成的，但是必须先由程序员把程序先进行分割，这是一个费时费力的工作，而且相当枯燥。人们必须找到更好的办法从根本上解决这个问题。不久人们找到了一个办法，这就是虚拟存储器(virtual memory).虚拟存储器的基本思想是程序，数据，堆栈的总的大小可以超过物理存储器的大小，操作系统把当前使用的部分保留在内存中，而把其他未被使用的部分保存在磁盘上。比如对一个16MB的程序和一个内存只有4MB的机器，OS通过选择，可以决定各个时刻将哪4M的内容保留在内存中，并在需要时在内存和磁盘间交换程序片段，这样就可以把这个16M的程序运行在一个只具有4M内存机器上了。而这个16M的程序在运行前不必由程序员进行分割。
    任何时候，计算机上都存在一个程序能够产生的地址集合，我们称之为地址范围。这个范围的大小由CPU的位数决定，例如一个32位的CPU，它的地址范围是0~0xFFFFFFFF (4G),而对于一个64位的CPU，它的地址范围为0~0xFFFFFFFFFFFFFFFF (64T).这个范围就是我们的程序能够产生的地址范围，我们把这个地址范围称为虚拟地址空间，该空间中的某一个地址我们称之为虚拟地址。与虚拟地址空间和虚拟地址相对应的则是物理地址空间和物理地址，大多数时候我们的系统所具备的物理地址空间只是虚拟地址空间的一个子集，这里举一个最简单的例子直观地说明这两者，对于一台内存为256MB的32bit x86主机来说，它的虚拟地址空间范围是0~0xFFFFFFFF（4G）,而物理地址空间范围是0x000000000~0x0FFFFFFF（256MB）。
    在没有使用虚拟存储器的机器上，虚拟地址被直接送到内存总线上，使具有相同地址的物理存储器被读写。而在使用了虚拟存储器的情况下，虚拟地址不是被直接送到内存地址总线上，而是送到内存管理单元——MMU（主角终于出现了：]）。他由一个或一组芯片组成，一般存在与协处理器中，其功能是把虚拟地址映射为物理地址。
    大多数使用虚拟存储器的系统都使用一种称为分页（paging）。虚拟地址空间划分成称为页（page）的单位,而相应的物理地址空间也被进行划分，单位是页框(frame).页和页框的大小必须相同。接下来配合图片我以一个例子说明页与页框之间在MMU的调度下是如何进行映射的<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

    上图是描述符的结构
    Section base address:段基地址（相当于页框号首地址）
    AP: 访问控制位Access Permission
    Domain: 访问控制寄存器的索引。Domain与AP配合使用，对访问权限进行检查
    C:当C被置1时为write-through (WT)模式
    B: 当B被置1时为write-back (WB)模式（C,B两个位在同一时刻只能有一个被置1）
    下面是s3c2410内存映射后的一个示意图：

    我的s3c2410上配置的SDRSAM大小为64M,该SDRAM的物理地址范围是0x3000 0000~0x33FF FFFF(属于Bank 6)，由于1个Section的大小是1M,所以该物理空间可以被分成64个物理段(页框).
    在Section模式下，送进MMU的虚拟地址(注1)被分为两部分（这点和我们上面举的例子是一样的），这两部分为 Descriptor Index(相当于上面例子的Page Index)和 Offset,descript index长度为12bit(2^12=4096,从这个关系式你能看出什么？：) )，Offset长度为20bit（2^20=1M，你又能看出什么？：)）.观察一下一个描述符（Descriptor）中的Section Base Address部分，它长度为12 bit，里面的值是该虚拟段（页）映射成的物理段（页框）的物理地址前12bit，由于每一个物理段的长度都是1M，所以物理段首地址的后20bit总是为0x00000(每个Section都是以1M对齐)，确定一个物理地址的方法是 物理页框基地址+虚拟地址中的偏移部分=Section Base Address<<20+Offset ,呵呵，可能你有点糊涂了，还是举一个实际例子说明吧。

    假设现在执行指令MOV REG, 0x30000012，虚拟地址的二进制码为00110000 00000000 00000000 00010010，前12位是Descriptor Index= 00110000 0000=768,故在Translation Table里面找到第768号描述符，该描述的Section Base Address="0x0300",也就是说描述符所描述的虚拟段（页）所映射的物理段（页框）的首地址为0x3000 0000（物理段（页框）的基地址=Section Base Address左移20bit=0x0300<<20=0x3000 0000），而Offset=000000 00000000 00010010=0x12,故虚拟地址0x30000012映射成的物理地址=0x3000 0000+0x12=0x3000 0012（物理页框基地址+虚拟地址中的偏移）。你可能会问怎么这个虚拟地址和映射后的物理地址一样？这是由我们定义的映射规则所决定的。在这个例子中我们定义的映射规则是把虚拟地址映射成和他相等的物理地址。我们这样书写映射关系的代码：
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;
         descriptor_index+=1;section _base +=0x100000)
    {
         *(mmu_tlb_base + (descriptor_index)) = (section _base>>20) | MMU_OTHER_SECDESC;
    }
}

    上面的这段段代码把虚拟空间0x3000 0000~0x33FF FFFF映射到物理空间0x3000 0000~0x33FF FFFF，由于虚拟空间与物理空间空间相吻合，所以虚拟地址与他们各自对应的物理地址在值上是一致的。当初始完Translation Table之后，记得要把Translation Table的首地址(第0号描述符的地址)加载进协处理器CP15的Control Register2(2号控制寄存器)中,该控制寄存器的名称叫做Translation table base (TTB) register。
    以上讨论的是descriptor中的Section Base Address以及虚拟地址和物理地址的映射关系,然而MMU还有一个重要的功能，那就是访问控制机制(Access Permission )。
简单说访问控制机制就是CPU通过某种方法判断当前程序对内存的访问是否合法（是否有权限对该内存进行访问），如果当前的程序并没有权限对即将访问的内存区域进行操作，则CPU将引发一个异常，s3c2410称该异常为Permission fault，x86架构则把这种异常称之为通用保护异常（General Protection），什么情况会引起Permission fault呢？比如处于User级别的程序要对一个System级别的内存区域进行写操作，这种操作是越权的，应该引起一个Permission fault，搞过x86架构的朋友应该听过保护模式（Protection Mode）,保护模式就是基于这种思想进行工作的，于是我们也可以这么说：s3c2410的访问控制机制其实就是一种保护机制。那s3c2410的访问控制机制到底是由什么元素去参与完成的呢？它们间是怎么协调工作的呢？这些元素总共有：
    1．协处理器CP15中Control Register3：DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER
    2．段描述符中的AP位和Domain位
    3．协处理器CP15中Control Register1(控制寄存器1)中的S bit和R bit
    4．协处理器CP15中Control Register5(控制寄存器5)
    5．协处理器CP15中Control Register6(控制寄存器6)
    DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER 是访问控制寄存器，该寄存器有效位为32，被分成16个区域，每个区域由两个位组成，他们说明了当前内存的访问权限检查的级别，如下图所示：

    每区域可以填写的值有4个，分别为00,01,10,11(二进制)，他们的意义如下所示：

    00：当前级别下，该内存区域不允许被访问，任何的访问都会引起一个domain fault
    01：当前级别下，该内存区域的访问必须配合该内存区域的段描述符中AP位进行权检查
    10：保留状态（我们最好不要填写该值，以免引起不能确定的问题）
    11：当前级别下，对该内存区域的访问都不进行权限检查。
    我们再来看看discriptor中的Domain区域，该区域总共有4个bit,里面的值是对DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER中16个区域的索引.而AP位配合S bit和A bit对当前描述符描述的内存区域被访问权限的说明,他们的配合关系如下图所示:

    AP

例1：
Discriptor 中的domain=4,AP=10(这种情况下S bit ,A bit 被忽略)
假设现在我要对该描述符描述的内存区域进行访问：
由于domain=4,而DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER中field 4的值是01，系统会对该访问进行访问权限的检查。
假设当前CPU处于Supervisor模式下，则程序可以对该描述符描述的内存区域进行读写操作。
假设当前CPU处于User模式下，则程序可以对该描述符描述的内存进行读访问，若对其进行写操作则引起一个permission fault.

例2：
Discriptor 中的domain=0,AP=10(这种情况下S bit ,A bit 被忽略)
domain=0,而DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER中field 0的值是11，系统对任何内存区域的访问都不进行访问权限的检查。
由于统对任何内存区域的访问都不进行访问权限的检查，所以无论CPU处于合种模式下（Supervisor模式或是User模式），程序对该描述符描述的内存都可以顺利地进行读写操作

例3：Discriptor 中的domain=4,AP=11(这种情况下S bit ,A bit 被忽略)
由于domain=4,而DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER中field 4的值是01，系统会对该访问进行访问权限的检查。
由于AP=11，所以无论CPU处于合种模式下（Supervisor模式或是User模式），程序对该描述符描述的内存都可以顺利地进行读写操作

例4：
Discriptor 中的domain=4,AP=00, S bit="0",A bit="0"
由于domain=4,而DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER中field 4的值是01，系统会对该访问进行访问权限的检查。
由于AP=00，S bit="0",A bit="0",所以无论CPU处于合种模式下（Supervisor模式或是User模式），程序对该描述符描述的内存都只能进行读操作，否则引起permission fault.
通过以上4个例子我们得出两个结论：
1．对某个内存区域的访问是否需要进行权限检查是由该内存区域的描述符中的Domain域决定的。
2．某个内存区域的访问权限是由该内存区域的描述符中的AP位和协处理器CP15中Control Register1(控制寄存器1)中的S bit和R bit所决定的。

作者：蔡于清