原创 MMU简介

MMU简介

 嵌入式系统中，存储系统差别很大，可包含多种类型的存储器件，如FLASH，SRAM，SDRAM，ROM等，这些不同类型的存储器件速度和宽度等各不相同；在访问存储单元时，可能采取平板式的地址映射机制对其操作，或需要使用虚拟地址对其进行读写；系统中，需引入存储保护机制，增强系统的安全性。为适应如此复杂的存储体系要求，ARM处理器中引入了存储管理单元来管理存储系统。
§1.3.1  内存管理单元（MMU）介绍
在ARM存储系统中，使用MMU实现虚拟地址到实际物理地址的映射。为何要实现这种映射？首先就要从一个嵌入式系统的基本构成和运行方式着手。系统上电时，处理器的程序指针从0x0（或者是由0Xffff_0000处高端启动）处启动，顺序执行程序，在程序指针（PC）启动地址，属于非易失性存储器空间范围，如ROM、FLASH等。然而与上百兆的嵌入式处理器相比，FLASH、ROM等存储器响应速度慢，已成为提高系统性能的一个瓶颈。而SDRAM具有很高的响应速度，为何不使用SDRAM来执行程序呢？为了提高系统整体速度，可以这样设想，利用FLASH、ROM对系统进行配置，把真正的应用程序下载到SDRAM中运行，这样就可以提高系统的性能。然而这种想法又遇到了另外一个问题，当ARM处理器响应异常事件时，程序指针将要跳转到一个确定的位置，假设发生了IRQ中断，PC将指向0x18(如果为高端启动，则相应指向0vxffff_0018处)，而此时0x18处仍为非易失性存储器所占据的位置，则程序的执行还是有一部分要在FLASH或者ROM中来执行的。那么我们可不可以使程序完全都SDRAM中运行那？答案是肯定的，这就引入了MMU，利用MMU，可把SDRAM的地址完全映射到0x0起始的一片连续地址空间，而把原来占据这片空间的FLASH或者ROM映射到其它不相冲突的存储空间位置。例如，FLASH的地址从0x0000_0000－0x00ff_ffff,而SDRAM的地址范围是0x3000_0000－0x31ff_ffff，则可把SDRAM地址映射为0x0000_0000－0x1fff_ffff而FLASH的地址可以映射到0x9000_0000－0x90ff_ffff（此处地址空间为空闲，未被占用）。映射完成后，如果处理器发生异常，假设依然为IRQ中断，PC指针指向0x18处的地址，而这个时候PC实际上是从位于物理地址的0x3000_0018处读取指令。通过MMU的映射，则可实现程序完全运行在SDRAM之中。
在实际的应用中，可能会把两片不连续的物理地址空间分配给SDRAM。而在操作系统中，习惯于把SDRAM的空间连续起来，方便内存管理，且应用程序申请大块的内存时，操作系统内核也可方便地分配。通过MMU可实现不连续的物理地址空间映射为连续的虚拟地址空间。
操作系统内核或者一些比较关键的代码，一般是不希望被用户应用程序所访问的。通过MMU可以控制地址空间的访问权限，从而保护这些代码不被破坏。
MMU的实现过程，实际上就是一个查表映射的过程。建立页表（translate table）是实现MMU功能不可缺少的一步。页表是位于系统的内存中，页表的每一项对应于一个虚拟地址到物理地址的映射。每一项的长度即是一个字的长度（在ARM中，一个字的长度被定义为4字节）。页表项除完成虚拟地址到物理地址的映射功能之外，还定义了访问权限和缓冲特性等。
MMU的映射分为两种，一级页表的变换和二级页表变换。两者的不同之处就是所实现的变换地址空间大小不同。一级页表变换支持1M大小的存储空间的映射，而二级可以支持64KB、4KB和1KB大小地址空间的映射。
要实现从虚拟地址到物理地址的映射，必然会遇到一个问题，如何找到这个页表。对于表的查找，要知道这个表的基地址和偏移地址，在具有MMU功能的处理器中，集成了一个被称为CP15的协处理器，该协处理器的C2寄存器中用于保存页表的基地址，下面以一级页表变换为例说明MMU实现地址变换的过程。
如图1.1所示，当处理器访问一个虚拟地址时，该虚拟地址的[31：20]作为偏移地址与页基地址结合（基地址必须是64KB对齐的，因此基地址的[13：0]位都为0），得到一个32位的页表项地址（因为页表项为4字节对齐，[1：0]两位为0）。通过这个页表项地址可以检索到该页表项。页表项的格式如下：

                         表  1.3
                       表  1.4
查找到页表项后，根据页表项的访问特性（缓冲以及是否允许访问等）协处理器决定是否允许访问。如不允许访问，则协处理器向CPU报告出错信息；反之，由页表项的[31：20]位与虚拟地址的[19：0]一起组成实际的物理地址，实现从虚拟地址到物理地址的映射。

对于实际编程工作而言，主要是确定如何编写页表中的内容并如何确定页表项地址。现举例如下：
假设物理地址为0x36B0_0000~0x36Bf_ffff（1M空间）的一块连续空间需映射为0x0100_0000~0x010f_ffff的一块连续空间：
1．确定页表项中的内容：把物理地址的基地址作为页表项的高12位（31bit～21bit），填写访问属性。假设可以读写，可以读缓存、写缓冲，这样该页表项内容为0x36B0_0C00E；
2．确定页表基地址，填写页表基地址到CP15寄存器的C2中。页表的基地址要为64KB对齐；
3．计算出偏移地址，把内容填写到页表项地址中。页表项地址=页表基地址+（物理地址基地址>>18）,如页表基地址为0xA100_0000,那么，页表项地址=0xA100_0DAC；
4．将页表项数值写到对应的页表项地址中。上例中，需要向地址0xA100_0DAC中写入0x36B0_0C00E。


ARM920T的MMU与Cache

Cache是高性能CPU解决总线访问速度瓶颈的方法，然而它的使用却是需要权衡的，因为缓存本身的动作，如块拷贝和替换等，也是很消耗CPU时间的。MMU的重要性勿庸置疑，ARM920T（和ARM720T）集成了MMU是其最大的卖点；有了MMU，高级的操作系统（虚拟地址空间，平面地址，进程保护等）才得以实现。二者都挺复杂，并且在920T中又高度耦合，相互配合操作，所以需要结合起来研究。同时，二者的操作对象都是内存，内存的使用是使用MMU/Cache的关键。另外，MMU和Cache的控制寄存器不占用地址空间，CP15是操纵MMU/Cache的唯一途径。

Cache/Write Buffer的功能

Cache通过预测CPU即将要访问的内存地址（一般都是顺序的），预先读取大块内存供CPU访问，来减少后续的内存总线上的读写操作，以提高速度。然而，如果程序中长跳转的次数很多，Cache的命中率就会显著降低，随之而来，大量的替换操作发生，于是，过多的内存操作反而降低了程序的性能。

ARM920T内部采用哈佛结构，将内部指令总线和数据总线分开，分别连接到ICache和DCache，再通过AMBA总线接口连接到ASB总线上去访问内存。Cache由Line组成，Line是Cache进行块读取和替换的单位。

Writer Buffer是和DCache相逆过程的一块硬件，目的也是通过减少memory bus的访问来提高性能。

MMU的功能

在内存中维护一张或几张表，就看你怎么给内存划分page和section了。通过CP15指定好转换表的位置，920T的硬件会自动将转换表的一部分读到TLB中。CPU每次进行内存读写时，发出虚拟地址，参照TLB中的转换表转换到物理地址，并读取相应entry中的信息，以决定是否可以有权限读写和缓存。

mmugen这个工具就是帮你构造这个表的，省的自己写程序了。

操作MMU，实际上就是如何分配和使用你的内存，并记录在translationtable里。

ARM920T中，MMU的每条entry包括Cachable和Buffable位来指定相应的内存是否可以用Cache缓存。此处就是MMU与Cache的交互作用处。


实际上，MMU和Cache的使用是操作系统设计者根据系统软硬件配置而考虑的事情。操作系统针对分配给应用程序的地址空间作内存保护和缓存优化。在没有操作系统的情况下，就需要我们自己来掌控它们了。其中，主要是合理分配内存。

我认为，以下几点需要着重考虑：

1) 安全第一！ -- 避免MMU和Cache的副作用。

当你在无OS的裸机上开发程序时，初始化运行环境的代码很重要，比如：各种模式堆栈指针的初始化；将代码和RW data从ROM拷贝到RAM；初始化.bss段（zero initialized）空间等。此时会有大量的内存操作，如果你enable了Cache，那么在拷贝完代码之后，一定要invalidate ICache和flush DCache。否则将会出现缓存中的代码或数据与内存中的不一致，程序跑飞。

另外，有时候我们需要自己作loader来直接运行ELF文件，情况也是一样，拷贝完代码后一定要刷新Cache，以免不测。

还有，对硬件的操作要小心。很多寄存器值都是被硬件改变的，读写时，要保证确实访问到它的地址。首先，在C语言代码中声明为volatile变量，以防止内存读写被编译器优化掉；另外，设置好TLB，使得寄存器映射的地址空间不被缓存。

总之，缓存和内存中代码的不一致，是一定要避免的。

2) 弄巧成拙！ -- 只对频繁访问的地址空间进行Cache优化。

我们很清楚自己的程序中，那里有大量的运算，哪里有无数的循环或递归，而这正是Cache的用武之地，我们将这些空间进行缓存将大大提高运行速度。但是，很多函数或子程序往往仅仅运行很少几次，若是对它们也缓存，只会捡了芝麻丢了西瓜，造成不必要的缓存和替换操作，反而增加了系统负担，降低了整体性能。

3) 断点哪儿去了？ -- 如何调试“加速”了的代码？

据我所知，一般，debugger都是通过扫描地址总线，在断点处暂停CPU。ARM9TDMI中集成的JTAG调试口，也是这样。

当我们调试使用Cache的代码时，将会出现问题。比如：CPU访问某断点所在地址之前的地址时，发生缓存操作，断点处代码被提前读入Cache，此时地址总线上出现了断点地址，CPU被debugger暂停，并且断点之后的指令也被Cache缓存。于是，当你从断点处step时，程序却停不了了，因为地址总线上不再出现断点之后的下一个地址了。
再举个例子：
int i,a;
for (i=0; i<100; i++) {
-> a++; /* set breakpoints */
}

当地址总线上第一次出现断点地址时，CPU暂停；之后，就再也不会停了。因为，之后CPU会从cache中直接去代码了。(当然，后来，Cache的代码有可能会被替换掉，断点又可到达。) 所幸的是，我用的debugger提供JTAG Monitor，允许断点跟踪使用cache的程序。

全部参考来源于ARM的手册，建议详细阅读1)的PartB及其在2)中的具体实现。
1) DDI0100E_ARM_ARM.pdf (ARM Architecture Reference Manual)
2) DDI0151C_920T_TRM.pdf (ARM920T Technical Reference Manual)