- 淺談ARM MMU工作原理和過程

虛擬地址32780落在頁8的范圍內(nèi)，從上圖總我們看到頁8沒有被有效的進(jìn)行映射（該頁被打上X），這是又會(huì)發(fā)生什么？MMU注意到這個(gè)頁沒有被映射，于是通知CPU發(fā)生一個(gè)缺頁故障（page fault）.這種情況下操作系統(tǒng)必須處理這個(gè)頁故障，它必須從8個(gè)物理頁框中找到1個(gè)當(dāng)前很少被使用的頁框并把該頁框的內(nèi)容寫入外圍存儲(chǔ)器（這個(gè)動(dòng)作被稱為page copy），隨后把需要引用的頁（例4中是頁8）映射到剛才釋放的頁框中（這個(gè)動(dòng)作稱為修改映射關(guān)系），然后從新執(zhí)行產(chǎn)生故障的指令（MOV REG,32780）。假設(shè)操作系統(tǒng)決定釋放頁框1，那么它將把虛頁8裝入物理地址的4-8K,并做兩處修改：首先把標(biāo)記虛頁1未被映射（原來虛頁1是被影射到頁框1的），以使以后任何對(duì)虛擬地址4K到8K的訪問都引起頁故障而使操作系統(tǒng)做出適當(dāng)?shù)膭?dòng)作（這個(gè)動(dòng)作正是我們現(xiàn)在在討論的），其次他把虛頁8對(duì)應(yīng)的頁框號(hào)由X變?yōu)?，因此重新執(zhí)行MOV REG,32780時(shí)，MMU將把32780映射為4108。

我們大致了解了MMU在我們的機(jī)器中扮演了什么角色以及它基本的工作內(nèi)容是什么，下面我們將舉例子說明它究竟是如何工作的（注意，本例中的MMU并無針對(duì)某種特定的機(jī)型，它是所有MMU工作的一個(gè)抽象）。

首先明確一點(diǎn)，MMU的主要工作只有一個(gè)，就是把虛擬地址映射到物理地址。

我們已經(jīng)知道，大多數(shù)使用虛擬存儲(chǔ)器的系統(tǒng)都使用一種稱為分頁（paging）的技術(shù)，就象我們剛才所舉的例子，虛擬地址空間被分成大小相同的一組頁，每個(gè)頁有一個(gè)用來標(biāo)示它的頁號(hào)（這個(gè)頁號(hào)一般是它在該組中的索引，這點(diǎn)和C/C++中的數(shù)組相似）。在上面的例子中0~4K的頁號(hào)為0，4~8K的頁號(hào)為1，8~12K的頁號(hào)為2，以此類推。而虛擬地址（注意：是一個(gè)確定的地址，不是一個(gè)空間）被MMU分為2個(gè)部分，第一部分是頁號(hào)索引（page Index），第二部分則是相對(duì)該頁首地址的偏移量（offset）. 。我們還是以剛才那個(gè)16位機(jī)器結(jié)合下圖進(jìn)行一個(gè)實(shí)例說明，該實(shí)例中，虛擬地址8196被送進(jìn)MMU,MMU把它映射成物理地址。16位的CPU總共能產(chǎn)生的地址范圍是0~64K,按每頁4K的大小計(jì)算，該空間必須被分成16個(gè)頁。而我們的虛擬地址第一部分所能夠表達(dá)的范圍也必須等于16（這樣才能索引到該頁組中的每一個(gè)頁）,也就是說這個(gè)部分至少需要4個(gè)bit。一個(gè)頁的大小是4K(4096),也就是說偏移部分必須使用12個(gè)bit來表示(2^12=4096，這樣才能訪問到一個(gè)頁中的所有地址),8196的二進(jìn)制碼如下圖所示：

該地址的頁號(hào)索引為0010（二進(jìn)制碼），既索引的頁為頁2，第二部分為000000000100（二進(jìn)制），偏移量為4。頁2中的頁框號(hào)為6（頁2映射在頁框6，見上圖），我們看到頁框6的物理地址是24~28K。于是MMU計(jì)算出虛擬地址8196應(yīng)該被映射成物理地址24580（頁框首地址+偏移量=24576+4=24580）。同樣的，若我們對(duì)虛擬地址1026進(jìn)行讀取，1026的二進(jìn)制碼為0000010000000010，page index="0000"=0,offset=010000000010=1026。頁號(hào)為0，該頁映射的頁框號(hào)為2，頁框2的物理地址范圍是8192~12287，故MMU將虛擬地址1026映射為物理地址9218（頁框首地址+偏移量=8192+1026=9218）。以上就是MMU的工作過程。