[ARM筆記]內(nèi)存管理單元地址變換過程

　　1. 地址的分類

　　以前的程序很小,可以全部裝入內(nèi)存中運(yùn)行,隨著技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了如下兩種情況:

　　1)有的程序很大,它要求的內(nèi)存空間超過了內(nèi)存總?cè)萘?不能一次性裝入內(nèi)存中;

　　2)多任務(wù)系統(tǒng)中有很多程序需要同時(shí)運(yùn)行,它們要求的內(nèi)存空間超過了內(nèi)存總?cè)萘?不能把所有的程序全部裝入內(nèi)存中。

　　實(shí)際上，一個(gè)程序在運(yùn)行前，沒有必要全部裝入內(nèi)存，而僅需要將那些當(dāng)前要運(yùn)行的部分先裝入內(nèi)存，其余部分在用到的時(shí)候再從磁盤調(diào)入，而當(dāng)內(nèi)存耗光時(shí)，再將暫時(shí)不用的部分調(diào)出到磁盤。這使得一個(gè)大程序可以在較小的內(nèi)存空間中運(yùn)行，也使得內(nèi)存中可以同時(shí)裝入更多的程序并發(fā)執(zhí)行，從用戶的角度看，該系統(tǒng)所具有的內(nèi)存容量比實(shí)際的內(nèi)存容量大得多，人們把這樣的存儲(chǔ)器稱為虛擬存儲(chǔ)器。

　　虛擬存儲(chǔ)器從邏輯上對(duì)內(nèi)存容量進(jìn)行了擴(kuò)充，用戶看到的大容量只是一種感覺，是虛的。在32位的CPU系統(tǒng)中，這個(gè)虛擬內(nèi)存的地址范圍是0~0xffff_ffff，我們把這個(gè)地址范圍稱為虛擬地址空間，其中的某個(gè)地址稱為虛擬地址。與虛擬地址空間、虛擬地址對(duì)應(yīng)的是物理地址空間、物理地址，它們對(duì)應(yīng)實(shí)際的內(nèi)存。

　　虛擬地址最張需要轉(zhuǎn)換為物理地址才能讀寫實(shí)際的數(shù)據(jù)，這通過將虛擬地址空間、物理地址空間劃分為同樣大小的一塊塊小空間(稱為段或頁)，然后為這兩類小空間建立映射關(guān)系。由于虛擬地址空間遠(yuǎn)大于物理空間，有可能多塊虛擬地址空間映射到同一塊物理地址空間，或者有些虛擬地址空間沒有映射到具體的物理地址空間上去(可以在使用到時(shí)再映射)。ARM CPU的地址轉(zhuǎn)換過程涉及到3個(gè)概念：虛擬地址(VA，Virtual Address)、變換后的虛擬地址(MVA，Modified Virtual Address)、物理地址(PA，Physical Address)。

　　沒啟動(dòng)MMU時(shí)，CPU核、cache、MMU、外設(shè)等所有部件使用的都是物理地址。

　　啟動(dòng)MMU后，CPU核對(duì)外發(fā)出虛擬地址VA;VA被轉(zhuǎn)換為MVA供cache、MMU使用，在這里MVA被轉(zhuǎn)換為PA;最后使用PA讀寫實(shí)際設(shè)備(S3C2410/S3C2440內(nèi)部寄存器或外接設(shè)備)：

　　1)CPU核看到的、用到的都是虛擬地址VA，至于VA如何最終落實(shí)到物理地址PA上，CPU核是不理會(huì)的。

　　2)而cache和MMU也是看不到VA的，它們利用MVA轉(zhuǎn)換得到的PA。

　　3)實(shí)際的設(shè)備看不到VA、MVA，讀寫它們時(shí)使用的是物理地址PA。

　　MVA是除CPU核外的其他部分看見的虛擬地址。

　　如果VA<32M，需要使用進(jìn)程標(biāo)識(shí)號(hào)PID(通過讀CP15的C13來獲得)來轉(zhuǎn)換為MVA。VA與MVA的轉(zhuǎn)換方法如下：

　　if (VA<32M) then

　　MVA=VA | (PID<<25) //VA<32M

　　else

　　MVA=VA //VA>=32M

　　利用PID生成MVA的目的是為了減少切換進(jìn)程時(shí)的代價(jià)：不使用MVA而直接使用VA的話，當(dāng)兩個(gè)進(jìn)程所用的虛擬地址空間(VA)有重疊時(shí)，在切換進(jìn)程時(shí)為了把重疊的VA映射到不到的PA上去，需要重建頁表、使無效caches和TLBS等，代價(jià)非常大。使用MVA后，進(jìn)程切換就省事多了;假設(shè)兩個(gè)進(jìn)程1、2運(yùn)行的VA都是0~(32M-1)，但是它們的MVA并不重疊，分別是0x0200_0000~0x03ff_ffff、0x0400_0000~0x05ff_ffff，這樣就不必進(jìn)行重建頁表等工作了。

　　2. 虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過程

　　將一個(gè)虛擬地址轉(zhuǎn)換為一個(gè)物理地址，一般有兩種方法：用一個(gè)確定的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換或用表格存儲(chǔ)虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址。這類表格稱為頁表(Page table)，頁表由一個(gè)個(gè)條目(Entry)組成;每個(gè)條目存儲(chǔ)了一段虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址及其訪問權(quán)限，或者下一級(jí)頁表的地址。

　　在ARM CPU中使用第二種方法。S3C2410/S3C2440最多會(huì)用到兩級(jí)頁表：以段(Section,1MB)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)只用到一級(jí)頁表，以頁(Page)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)用到兩級(jí)頁表。頁的大小有3種：大頁(64KB)、小頁(4KB)、極小頁(1KB)。條目也被稱為“描述符”(Descriptor)，有：段描述符、大頁描述符、小頁描述符、極小頁描述符——它們保存段、大頁、小頁或極小頁的起始物理地址;粗頁表描述符、細(xì)頁表描述符——它們保存二級(jí)頁表的物理地址。

　　大概的轉(zhuǎn)換過程如下：

　　1)根據(jù)給定的虛擬地址找到一級(jí)頁表中的條目;

　　2)如果此描述符是段描述符，則返回物理地址，轉(zhuǎn)換結(jié)束;

　　3)否則，如果此描述符是二級(jí)頁表描述符，繼續(xù)利用虛擬地址在此二級(jí)頁表中找到下一個(gè)條目;

　　4)如果這第二個(gè)條目是頁描述符，則返回物理地址，轉(zhuǎn)換結(jié)束;

　　5)其他情況出錯(cuò)。