原创 内存管理单元MMU介绍

/*
* 将第二部分代码复制到SDRAM（由leds.c编译得来的代码）

*此时尚未开启MMU，需要把虚拟地址对应的物理地址设为0x30004000

*不妨把2048之后的所有数据复制到SDRAM，所以结束地址为4096
*/
void copy_2th_to_sdram(void)
{
    unsigned int *pdwSrc  = (unsigned int *)2048;
    unsigned int *pdwDest = (unsigned int *)0x30004000;
   
    while (pdwSrc < (unsigned int *)4096)
    {
        *pdwDest = *pdwSrc;
        pdwDest++;
        pdwSrc++;
    }
}

/*
 * 设置页表重点！！！
 */
void create_page_table(void)
{

/*
 * 用于段描述符的一些宏定义
 */
#define MMU_FULL_ACCESS     (3 << 10)   /* 访问权限 对应AP*/
#define MMU_DOMAIN          (0 << 5)    /* 属于哪个域 DOMAIN*/
#define MMU_SPECIAL         (1 << 4)    /* 必须是1 */
#define MMU_CACHEABLE       (1 << 3)    /* cacheable */
#define MMU_BUFFERABLE      (1 << 2)    /* bufferable */
#define MMU_SECTION         (2)         /* 表示这是段描述符 */
#define MMU_SECDESC         (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | \
                             MMU_SECTION)
#define MMU_SECDESC_WB      (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | \
                             MMU_CACHEABLE | MMU_BUFFERABLE | MMU_SECTION)
#define MMU_SECTION_SIZE    0x00100000

    unsigned long virtuladdr, physicaladdr;
    unsigned long *mmu_tlb_base = (unsigned long *)0x30000000;
   
    /*
     * Steppingstone的起始物理地址为0，第一部分程序的起始运行地址也是0，
     * 为了在开启MMU后仍能运行第一部分的程序，
     * 将0～1M的虚拟地址映射到同样的物理地址
     */
    virtuladdr = 0;
    physicaladdr = 0;
    *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \
                                            MMU_SECDESC_WB;

    /*
     * 0x56000000是GPIO寄存器的起始物理地址，
     * GPBCON和GPBDAT这两个寄存器的物理地址0x56000010、0x56000014，
     * 为了在第二部分程序中能以地址0xA0000010、0xA0000014来操作GPBCON、GPBDAT，
     * 把从0xA0000000开始的1M虚拟地址空间映射到从0x56000000开始的1M物理地址空间
     */
    virtuladdr = 0xA0000000;
    physicaladdr = 0x56000000;
    *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \
                                            MMU_SECDESC;

    /*
     * SDRAM的物理地址范围是0x30000000～0x33FFFFFF，
     * 将虚拟地址0xB0000000～0xB3FFFFFF映射到物理地址0x30000000～0x33FFFFFF上，
     * 总共64M，涉及64个段描述符
     */
    virtuladdr = 0xB0000000;
    physicaladdr = 0x30000000;
    while (virtuladdr < 0xB4000000)
    {
        *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \
                                                MMU_SECDESC_WB;
        virtuladdr += 0x100000;
        physicaladdr += 0x100000;
    }
}

/*
 * 启动MMU
 */
void mmu_init(void)
{
    unsigned long ttb = 0x30000000;

__asm__(
    "mov    r0, #0\n"
    "mcr    p15, 0, r0, c7, c7, 0\n"    /* 使无效ICaches和DCaches */
   
    "mcr    p15, 0, r0, c7, c10, 4\n"   /* drain write buffer on v4 */
    "mcr    p15, 0, r0, c8, c7, 0\n"    /* 使无效指令、数据TLB */
   
    "mov    r4, %0\n"                   /* r4 = 页表基址 */
    "mcr    p15, 0, r4, c2, c0, 0\n"    /* 设置页表基址寄存器 */
   
    "mvn    r0, #0\n"                  
    "mcr    p15, 0, r0, c3, c0, 0\n"    /* 域访问控制寄存器设为0xFFFFFFFF，
                                         * 不进行权限检查
                                         */   
    /*
     * 对于控制寄存器，先读出其值，在这基础上修改感兴趣的位，
     * 然后再写入
     */
    "mrc    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    /* 读出控制寄存器的值 */
   
    /* 控制寄存器的低16位含义为：.RVI ..RS B... .CAM
     * R : 表示换出Cache中的条目时使用的算法，
     *     0 = Random replacement；1 = Round robin replacement
     * V : 表示异常向量表所在的位置，
     *     0 = Low addresses = 0x00000000；1 = High addresses = 0xFFFF0000
     * I : 0 = 关闭ICaches；1 = 开启ICaches
     * R、S : 用来与页表中的描述符一起确定内存的访问权限
     * B : 0 = CPU为小字节序；1 = CPU为大字节序
     * C : 0 = 关闭DCaches；1 = 开启DCaches
     * A : 0 = 数据访问时不进行地址对齐检查；1 = 数据访问时进行地址对齐检查
     * M : 0 = 关闭MMU；1 = 开启MMU
     */
   
    /* 
     * 先清除不需要的位，往下若需要则重新设置它们   
     */
                                        /* .RVI ..RS B... .CAM */
    "bic    r0, r0, #0x3000\n"          /* ..11 .... .... .... 清除V、I位 */
    "bic    r0, r0, #0x0300\n"          /* .... ..11 .... .... 清除R、S位 */
    "bic    r0, r0, #0x0087\n"          /* .... .... 1... .111 清除B/C/A/M */

    /*
     * 设置需要的位
     */
    "orr    r0, r0, #0x0002\n"          /* .... .... .... ..1. 开启对齐检查 */
    "orr    r0, r0, #0x0004\n"          /* .... .... .... .1.. 开启DCaches */
    "orr    r0, r0, #0x1000\n"          /* ...1 .... .... .... 开启ICaches */
    "orr    r0, r0, #0x0001\n"          /* .... .... .... ...1 使能MMU */
   
    "mcr    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    /* 将修改的值写入控制寄存器 */
    : /* 无输出 */
    : "r" (ttb) );
}

其中makefile如下：

objs := head.o init.o leds.o

mmu.bin : $(objs)

    arm-linux-ld -Tmmu.lds -o mmu_elf $^

    arm-linux-objcopy -O binary -S mmu_elf $@

    arm-linux-objdump -D -m arm mmu_elf > mmu.dis

%.o:%.c

    arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

%.o:%.S

    arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

clean:

    rm -f mmu.bin mmu_elf mmu.dis *.o      

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

$@: current target

$<:first prerequisite

$^:all prerequisites

/*
 * leds.c: 循环点亮4个LED
 * 属于第二部分程序，此时MMU已开启，使用虚拟地址
 */

#define GPFCON      (*(volatile unsigned long *)0xA0000050)     // 物理地址0x56000050
#define GPFDAT      (*(volatile unsigned long *)0xA0000054)     // 物理地址0x56000054

#define GPF4_out    (1<<(4*2))
#define GPF5_out    (1<<(5*2))
#define GPF6_out    (1<<(6*2))
#define GPF7_out    (1<<(7*2))

/*
 * wait函数加上“static inline”是有原因的，
 * 这样可以使得编译leds.c时，wait嵌入main中，编译结果中只有main一个函数。
 * 于是在连接时，main函数的地址就是由连接文件指定的运行时装载地址。
 * 而连接文件mmu.lds中，指定了leds.o的运行时装载地址为0xB4004000，
 * 这样，head.S中的“ldr pc, =0xB4004000”就是跳去执行main函数。
 */
static inline void wait(unsigned long dly)
{
    for(; dly > 0; dly--);
}

int main(void)
{
    unsigned long i = 0;
   
    // 将LED1-4对应的GPF4/5/6/7四个引脚设为输出
    GPFCON = GPF4_out|GPF5_out|GPF6_out|GPF7_out;      

    while(1){
        wait(30000);
        GPFDAT = (~(i<<4));     // 根据i的值，点亮LED1-4
        if(++i == 16)
            i = 0;
    }

    return 0;
}

SECTIONS {
  firtst    0x00000000 : { head.o init.o }
  second    0xB0004000 : AT(2048) { leds.o }
}

连接脚本mmu.ldfs将程序分为两个段：first和second。

前者由head.o和init.o组成，它的加载地址和运行地址都是0，所以运行前不需要重新移动代码。

后者由leds.o组成，它的加载地址为2048，重定位地址为 0xB0004000 ，这表明段second存放在编译所得印象文件地址2048处，在运行前需要把它复制到地址 0xB0004000 处，这由init.c中的copy_2th_sdram函数完成（注意，此函数将代码复制开始地址为0x3000400的内存中，这是开启MMU后虚拟地址0xB0004000 对应的物理地址）。

LED闪烁速度较快的原因是开启了Cache。