ARM處理器中控制MMU功能的過程

一、MMU簡介

MMU是Memory Manage Unit的縮寫，即存儲(chǔ)管理單元的意思。MMU實(shí)現(xiàn)以下功能：

• 1）虛擬存儲(chǔ)地址到物理存儲(chǔ)地址的映射；
• 2）控制存儲(chǔ)空間訪問權(quán)限；
• 3）設(shè)置存儲(chǔ)空間的緩沖特性。

與MMU相關(guān)的一些基本概念介紹如下：

1-頁表（Translate Table）

頁表又叫翻譯表，用來將虛擬地址翻譯成對(duì)應(yīng)的物理地址 ， 它位于內(nèi)存中，是實(shí)現(xiàn)MMU功能的重要組成部分 ，處理器通過查找頁表中的描述符來獲取虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址。

ARM處理器是按兩級(jí)分頁來管理內(nèi)存的，所以頁表包括一級(jí)頁表和二級(jí)頁表。

• 一級(jí)頁表中的每一項(xiàng)（1個(gè)字，4字節(jié)）對(duì)應(yīng)于虛擬存儲(chǔ)空間的一段（section），一段的大小為1MB（0x100000字節(jié)），該項(xiàng)包含了該虛擬存儲(chǔ)段對(duì)應(yīng)的物理存儲(chǔ)段的基地址或者一段存儲(chǔ)空間內(nèi)每頁的二級(jí)頁表描述符組成的表的基地址、所屬的內(nèi)存域編號(hào)、緩沖特性等， 一級(jí)頁表的基地址保存在ARM處理器中CP15協(xié)處理器的C2寄存器中 ，該寄存器中保存的是一級(jí)頁表的物理基地址，而不是虛擬地址。
• 二級(jí)頁表中的每一項(xiàng)（1word，4bytes）對(duì)應(yīng)于虛擬存儲(chǔ)空間的一頁，一頁的大小可以是4KB或1KB ，該項(xiàng)包含了該虛擬存儲(chǔ)頁對(duì)應(yīng)的物理存儲(chǔ)頁的基地址、該頁的訪問權(quán)限和該頁的緩沖特性等。我們將頁表中的每一項(xiàng)叫做一個(gè)地址變換條目（entry），也可以叫一個(gè)頁表項(xiàng)。

2-翻譯援助緩沖區(qū)（Translation Lookaside Buffer，TLB）

TLB在硬件上和cache一樣 ， 是處理器內(nèi)部的一小塊高速SRAM內(nèi)存，用于緩存，與cache不同的是，它專門緩存存放在內(nèi)存中的頁表 ，容量相對(duì)比較小， 而cache則用于緩存普通內(nèi)存，容量相對(duì)比較大 。

TLB也分為數(shù)據(jù)TLB和指令TLB， 指令TLB用于取指令時(shí)的指令地址翻譯 ， 而數(shù)據(jù)TLB用于其他存儲(chǔ)訪問操作時(shí)的地址翻譯 。

有的處理器中數(shù)據(jù)TLB和指令TLB是分開的，有的處理器中這兩者是統(tǒng)一的。

TLB是為了提高處理器查詢頁表的速度而設(shè)計(jì)的，所以TLB又叫快表 。

當(dāng)處理器要查詢頁表時(shí)首先在TLB中查找，如果要查找的頁表項(xiàng)不在TLB中，那么CPU從位于內(nèi)存中的頁表中查詢，并把相應(yīng)的結(jié)果添加到TLB中，這樣CPU下次查找該頁表項(xiàng)時(shí)就可以從TLB中直接獲取。

二、系統(tǒng)訪問存儲(chǔ)空間的過程

系統(tǒng)訪問存儲(chǔ)空間的過程對(duì)于使能MMU和禁止MMU兩種情況是不一樣的 。 ARM處理器中控制MMU功能的開關(guān)位是CP15協(xié)處理器的C1寄存器的bit[0] ，當(dāng)該位為0時(shí)禁止MMU功能，當(dāng)該位為1時(shí)使能MMU功能。

1 使能MMU時(shí)的情況

當(dāng)CPU請(qǐng)求存儲(chǔ)訪問時(shí)，首先在TLB中查找虛擬地址，如果該虛擬地址對(duì)應(yīng)的地址變換條目（頁表項(xiàng)）不在TLB中，CPU從位于內(nèi)存中的頁表中查詢對(duì)應(yīng)于該虛擬地址的頁表項(xiàng)，并把相應(yīng)的結(jié)果添加到TLB中，這樣CPU下次再訪問該頁表項(xiàng)時(shí)就可以直接從TLB中獲取。如 果TLB已經(jīng)裝滿，還應(yīng)該根據(jù)一定的淘汰算法進(jìn)行替換 。

在得到了需要的頁表項(xiàng)后，將進(jìn)行以下操作：

• 1）得到該虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址；
• 2）根據(jù)頁表項(xiàng)中的緩沖特性控制位C（Cachable）和B（Bufferable）的值決定是否緩存該存儲(chǔ)訪問的結(jié)果；
• 3）根據(jù)存取權(quán)限控制位和所屬存儲(chǔ)域的權(quán)限設(shè)置情況確定該存儲(chǔ)訪問是否被允許；
• 4） 對(duì)于不允許緩存（uncached）的存儲(chǔ)訪問，使用上面步驟1）中得到的物理地址訪問存儲(chǔ)空間 。對(duì)于允許緩存（cached）的存儲(chǔ)訪問，如果cache命中，則忽略物理地址；如果cache沒有命中，則使用上面步驟1）中得到的物理地址訪問存儲(chǔ)空間，并把該數(shù)據(jù)塊讀到cache中。有些VA所對(duì)應(yīng)的PA并不是物理內(nèi)存中的地址而是設(shè)備寄存器的地址，對(duì)這些寄存器進(jìn)行讀寫并不是為了保存數(shù)據(jù)，而是對(duì)設(shè)備做特殊操作，這種VA通常是不允許緩存的，因?yàn)槿绻彺媪?，?duì)VA的讀寫將只在Cache中起作用，而不會(huì)傳到設(shè)備寄存器對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。

2 禁止MMU時(shí)的情況

如果系統(tǒng)禁止MMU功能，那么CPU的存儲(chǔ)訪問規(guī)則如下：

• 1）當(dāng)禁止MMU時(shí)， 是否支持cache和Write Buffer由各具體芯片確定 。如果芯片規(guī)定當(dāng)禁止MMU的同時(shí)也禁止cache和Write Buffer，則存儲(chǔ)訪問不考慮緩沖特性控制位C和B的設(shè)置情況；如果芯片規(guī)定當(dāng)禁止MMU時(shí)可以使能cache和Write Buffer，
• 則數(shù)據(jù)訪問時(shí)，C=0，B=0，
• 指令讀取時(shí)，如果使用數(shù)據(jù)和指令分開的TLB，則C=1，如果使用統(tǒng)一的TLB，則C=0。
• 2）存儲(chǔ)訪問不進(jìn)行權(quán)限控制，MMU也不會(huì)產(chǎn)生存儲(chǔ)訪問中止信號(hào)。
• 3）所有的物理地址和虛擬地址相同，也就是使用所謂的 平板存儲(chǔ)模式 。

3 使能/禁止MMU時(shí)應(yīng)注意的問題

在使能和禁止MMU時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

• 1）在使能MMU前，要在內(nèi)存中建立好頁表，同時(shí)CP15中的各相關(guān)寄存器必須完成初始化。
• 2）如果使用的不是平板存儲(chǔ)模式（物理地址和對(duì)應(yīng)虛擬地址相等），在禁止/使能MMU時(shí)，虛擬地址和物理地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系會(huì)發(fā)生改變， 此時(shí)應(yīng)該清除cache中的當(dāng)前地址變換條目（TLB） 。(清楚當(dāng)前的，要最新的，避免cache不是最新的，訪問映射出錯(cuò)。)
• 3） 如果完成禁止/使能MMU的代碼的物理地址和虛擬地址不同，禁止/使能MMU時(shí)將造成很大麻煩，因此強(qiáng)烈建議完成禁止/使能MMU的代碼的物理地址和虛擬地址相同 （或者與地址無關(guān)）。

三、ARM處理器地址變換過程

虛擬存儲(chǔ)空間到物理存儲(chǔ)空間的映射是 以內(nèi)存塊為單位進(jìn)行的 ，虛擬存儲(chǔ)空間中的一塊連續(xù)存儲(chǔ)空間被映射成物理存儲(chǔ)空間中同樣大小的一塊連續(xù)存儲(chǔ)空間。

每一個(gè)地址變換條目（頁表項(xiàng)）記錄了一個(gè)虛擬存儲(chǔ)空間的存儲(chǔ)塊的基地址與物理存儲(chǔ)空間相應(yīng)的一個(gè)存儲(chǔ)塊的基地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)存儲(chǔ)塊大小不同，可以有多種地址變換。

• 1）段（section）：大小為1MB的存儲(chǔ)塊。
• 2）大頁（Large Page）：大小為64KB的存儲(chǔ)塊。
• 3）小頁（Small Page）：大小為4KB的存儲(chǔ)塊。
• 4）極小頁（Tiny Page）：大小為1KB的存儲(chǔ)塊。

通過采用適當(dāng)?shù)脑L問控制機(jī)制， 還可以將大頁分成大小為16KB的子頁，也可將小頁分成大小為1KB的子頁 ，但極小頁不能再細(xì)分，只能以1KB大小的整頁為單位。

ARM處理器采用兩級(jí)頁表實(shí)現(xiàn)地址映射：

• 1）一級(jí)頁表中包含以段為單位的地址變換條目或者指向二級(jí)頁表的指針，一級(jí)頁表實(shí)現(xiàn)的地址映射粒度較大。
• 2）二級(jí)頁表中包含以大頁、小頁和極小頁為單位的地址變換條目。

當(dāng)以二級(jí)分頁管理某段存儲(chǔ)空間時(shí)，要同時(shí)設(shè)置一級(jí)頁表項(xiàng)和二級(jí)頁表項(xiàng)，

• 一個(gè)一級(jí)頁表項(xiàng)對(duì)應(yīng)一段（1section=1MB）虛擬存儲(chǔ)空間的映射關(guān)系，
• 一個(gè)一級(jí)頁表項(xiàng)對(duì)應(yīng)一張二級(jí)頁表，這張二級(jí)頁表中的所有頁表項(xiàng)合在一起對(duì)應(yīng)了前面一級(jí)頁表項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的一段虛擬存儲(chǔ)空間的映射關(guān)系。

ARM處理器的二級(jí)頁表分為粗粒度二級(jí)頁表和細(xì)粒度二級(jí)頁表，

• 一張粗粒度二級(jí)頁表的最大容量為1KB，
• 一張細(xì)粒度二級(jí)頁表的最大容量為4KB，

不管是粗粒度還是細(xì)粒度頁表，每張頁表都對(duì)應(yīng)一段虛擬存儲(chǔ)空間的映射關(guān)系。

所以粗粒度二級(jí)頁表的頁表項(xiàng)（頁描述符）最小只能描述4KB大?。ㄐ№摚┨摂M存儲(chǔ)空間的映射關(guān)系，如果再小就沒有足夠的頁表空間來存放一段虛擬存儲(chǔ)空間的全部頁表項(xiàng)（因?yàn)榇至６榷?jí)頁表的最大容量為1KB），

而細(xì)粒度二級(jí)頁表的頁描述符最小可以描述1KB大?。O小頁）的虛擬存儲(chǔ)空間的映射關(guān)系。

綜上所述，我們可以歸納出以下6種ARM處理器的地址變換方法：

• 1）分段地址變換，這種變換只需要一級(jí)地址變換，而下面5種都需要兩級(jí)地址變換；
• 2）粗粒度大頁地址變換；
• 3）粗粒度小頁地址變換（Linux通常使用的地址變換方法）；
• 4）細(xì)粒度大頁地址變換；
• 5）細(xì)粒度小頁地址變換；
• 6）細(xì)粒度極小頁地址變換。

在講解以上各種地址變換方法之前我們先介紹一下一級(jí)映射描述符和二級(jí)映射描述符的定義。

1 MMU的一級(jí)映射描述符

ARM處理器MMU的一級(jí)映射描述符編碼格式如下所示：

一級(jí)描述符對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間的cache和write buffer特性控制位

2 MMU的二級(jí)映射描述符

ARM處理器MMU的二級(jí)映射描述符編碼格式如下所示：

二級(jí)描述符對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間的cache和write buffer特性控制位

3 基于段的地址變換過程

4 粗粒度大頁地址變換過程

5 粗粒度小頁地址變換過程

6 細(xì)粒度大頁地址變換過程

7 細(xì)粒度小頁地址變換過程

8 細(xì)粒度極小頁地址變換過程

四、ARM存儲(chǔ)空間訪問權(quán)限控制

在ARM處理器中，MMU將整個(gè)存儲(chǔ)空間分成最多16個(gè)域，記作D0~D15，每個(gè)域?qū)?yīng)一定的存儲(chǔ)區(qū)域，該區(qū)域具有相同的訪問控制屬性。

在ARM處理器中，MMU中的每個(gè)域的訪問權(quán)限分別由CP15的C3寄存器中的兩位來設(shè)定，C3寄存器剛好可以設(shè)置16個(gè)域的訪問權(quán)限。C3寄存器的域定義如表4-6所示。

表4-6 CP15的C3寄存器的域定義

C3寄存器的D0D15各占兩位，它們分別控制D0D15共16域的訪問類型，具體說明如表4-7所示。

域的訪問控制字段編碼及含義

當(dāng)域訪問權(quán)限控制位設(shè)置為上面的0b01即客戶類型權(quán)限時(shí)，用戶模式以及特權(quán)模式的訪問權(quán)限則由CP15的C1控制寄存器中的R和S位以及 頁表中地址變換條目中的訪問權(quán)限控制位AP兩位來確定 ，具體說明如表4-8所示。

MMU中存儲(chǔ)訪問權(quán)限控制

五、TLB操作

對(duì)TLB的操作是通過訪問 CP15的C8和C10寄存器來完成的 ，寫CP15的C8/C10寄存器的指令格式如下所示：

mcr p15, 0, < rd >, < c8 >, crm, < opcode_2 >        mcr p15, 0, < rd >, < c10 >, crm, < opcode_2 >

1 使TLB內(nèi)容無效

使TLB中的內(nèi)容無效是通過寫CP15的寄存器C8來實(shí)現(xiàn)的，指令如表4-9所示。

2 鎖定TLB內(nèi)容

鎖定TLB是通過寫CP15的寄存器C10來實(shí)現(xiàn)的。鎖定TLB中N條地址變換條目的操作步驟說明如下：

• 1）確保在整個(gè)鎖定過程中不會(huì)產(chǎn)生異常中斷，可以通過禁止中斷等方法實(shí)現(xiàn)；
• 2）如果鎖定的是指令TLB或者統(tǒng)一的TLB，將base=N、victim=N、P=0寫入C10；
• 3）使整個(gè)將要鎖定的TLB無效；
• 4）如果想要鎖定的是指令TLB，確保與鎖定過程所涉及的指令相關(guān)的地址變換條目已經(jīng)加載到指令TLB中；如果想要鎖定的是數(shù)據(jù)TLB，確保與鎖定過程所涉及的數(shù)據(jù)相關(guān)的地址變換條目已經(jīng)加載到指令TLB中；如果系統(tǒng)使用的是統(tǒng)一的數(shù)據(jù)TLB和指令TLB，上述兩條都要保證；
• 5）對(duì)于I=0到N-1，重復(fù)執(zhí)行下面操作：將base=i、victim=i、P=1寫入寄存器C10，將每一條想要鎖定到快表中的地址變換條目讀取到快表中。對(duì)于數(shù)據(jù)TLB和統(tǒng)一TLB可以使用ldr指令讀取一個(gè)涉及該地址變換條目的數(shù)據(jù)，將該地址變換條目讀取到TLB中。對(duì)于指令TLB，通過操作寄存器C7，將相應(yīng)的地址變換條目讀取到指令TLB中；
• 6）將base=N、victim=N、P=0寫入寄存器C10。

3 解除TLB中被鎖定的地址變換條目

解除TLB中被鎖定的地址變換條目，可以使用以下操作步驟：

• 1）通過操作寄存器C8，使無效TLB中被鎖定的地址變換條目；
• 2）將base=0、victim=0、P=0寫入C10寄存器。

六、存儲(chǔ)訪問失效

ARM處理器通過以下兩種機(jī)制來檢測(cè)存儲(chǔ)訪問失效，進(jìn)而中止CPU的運(yùn)行：

• 1） MMU硬件模塊檢測(cè)與內(nèi)存管理相關(guān)的存儲(chǔ)訪問失效 ，一旦 MMU檢測(cè)到存儲(chǔ)訪問失效 ，它向CPU發(fā)出通知，并將存儲(chǔ)訪問失效的相關(guān)信息保存到寄存器中， 具體說就是將失效狀態(tài)保存在CP15的C5寄存器中，將導(dǎo)致失效的地址保存在CP15的C6寄存器中 ，詳見前面CP15的C5、C6寄存器說明。這種存儲(chǔ)訪問失效叫做MMU失效（MMU Fault）。
• 2）外部存儲(chǔ)系統(tǒng)向CPU報(bào)告存儲(chǔ)訪問失效，這種機(jī)制叫做外部存儲(chǔ)訪問中止（External Abort）。

1 MMU失效（MMU Fault）

• 1）地址對(duì)齊失效：地址對(duì)齊失效只會(huì)發(fā)生在數(shù)據(jù)訪問周期，比如
  • 訪問字單元（4字節(jié)）時(shí)地址的bit[1:0]不全是0或者訪問半字（雙字節(jié)）單元時(shí)地址的bit[0]不等于0；
  • 訪問字節(jié)單元不會(huì)產(chǎn)生地址對(duì)齊失效，指令預(yù)取周期也不會(huì)產(chǎn)生地址對(duì)齊失效。
• 2）地址變換失效：
  • 當(dāng)一級(jí)地址變換條目的bit[1:0]為0b00時(shí)，表示產(chǎn)生了基于段的地址變換失效；
  • 當(dāng)二級(jí)地址變換條目的bit[1:0]為0b00時(shí)，表示產(chǎn)生了基于頁的地址變換失效。
• 3）域控制失效：如果所訪問的存儲(chǔ)地址對(duì)應(yīng)的一級(jí)地址變換條目中bit[8:5]的值所指的存儲(chǔ)域的兩位控制位被設(shè)置為0，就說明產(chǎn)生了域控制失效，域控制失效可能是基于段的也可能是基于頁的。
• 4）訪問權(quán)限控制失效：如果出現(xiàn)了訪問權(quán)限沖突就產(chǎn)生訪問權(quán)限控制失效。

以上4大類存儲(chǔ)訪問失效又可細(xì)分為15種類型， 見前面CP15的C5寄存器說明 。

當(dāng)發(fā)生存儲(chǔ)訪問失效時(shí)，存儲(chǔ)系統(tǒng)可以中止3種存儲(chǔ)訪問：

• cache內(nèi)容預(yù)取、
• 非緩沖的存儲(chǔ)器訪問
• 頁表訪問。

2 外部存儲(chǔ)訪問失效（External Abort）

由外部存儲(chǔ)系統(tǒng)向CPU報(bào)告存儲(chǔ)訪問失效。

外部存儲(chǔ)訪問失效通過 一個(gè)外部存儲(chǔ)訪問失效引腳實(shí)現(xiàn) ，下面的存儲(chǔ)訪問操作可以通過這種機(jī)制中止和重啟動(dòng)：

• 1）讀操作；
• 2）非緩沖的寫操作；
• 3）一級(jí)描述符的獲?。?/li>
• 4）二級(jí)描述符的獲??；
• 5）非緩沖的存儲(chǔ)區(qū)域中的信號(hào)量操作。

注意：在系統(tǒng)中標(biāo)記為可外部終止的存儲(chǔ)區(qū)域不要進(jìn)行可緩存的寫操作。