[ARM筆記]內存管理單元地址變換過程

　　1. 地址的分類

　　以前的程序很小,可以全部裝入內存中運行,隨著技術的發展,出現了如下兩種情況:

　　1)有的程序很大,它要求的內存空間超過了內存總容量,不能一次性裝入內存中;

　　2)多任務系統中有很多程序需要同時運行,它們要求的內存空間超過了內存總容量,不能把所有的程序全部裝入內存中。

　　實際上，一個程序在運行前，沒有必要全部裝入內存，而僅需要將那些當前要運行的部分先裝入內存，其余部分在用到的時候再從磁盤調入，而當內存耗光時，再將暫時不用的部分調出到磁盤。這使得一個大程序可以在較小的內存空間中運行，也使得內存中可以同時裝入更多的程序并發執行，從用戶的角度看，該系統所具有的內存容量比實際的內存容量大得多，人們把這樣的存儲器稱為虛擬存儲器。

　　虛擬存儲器從邏輯上對內存容量進行了擴充，用戶看到的大容量只是一種感覺，是虛的。在32位的CPU系統中，這個虛擬內存的地址范圍是0~0xffff_ffff，我們把這個地址范圍稱為虛擬地址空間，其中的某個地址稱為虛擬地址。與虛擬地址空間、虛擬地址對應的是物理地址空間、物理地址，它們對應實際的內存。

　　虛擬地址最張需要轉換為物理地址才能讀寫實際的數據，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系。由于虛擬地址空間遠大于物理空間，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(可以在使用到時再映射)。ARM CPU的地址轉換過程涉及到3個概念：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MMU時，CPU核、cache、MMU、外設等所有部件使用的都是物理地址。

　　啟動MMU后，CPU核對外發出虛擬地址VA;VA被轉換為MVA供cache、MMU使用，在這里MVA被轉換為PA;最后使用PA讀寫實際設備(S3C2410/S3C2440內部寄存器或外接設備)：

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

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

　　3)實際的設備看不到VA、MVA，讀寫它們時使用的是物理地址PA。

　　MVA是除CPU核外的其他部分看見的虛擬地址。

　　如果VA<32M，需要使用進程標識號PID(通過讀CP15的C13來獲得)來轉換為MVA。VA與MVA的轉換方法如下：

　　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程時的代價：不使用MVA而直接使用VA的話，當兩個進程所用的虛擬地址空間(VA)有重疊時，在切換進程時為了把重疊的VA映射到不到的PA上去，需要重建頁表、使無效caches和TLBS等，代價非常大。使用MVA后，進程切換就省事多了;假設兩個進程1、2運行的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，這樣就不必進行重建頁表等工作了。

　　2. 虛擬地址到物理地址的轉換過程

　　將一個虛擬地址轉換為一個物理地址，一般有兩種方法：用一個確定的數學公式進行轉換或用表格存儲虛擬地址對應的物理地址。這類表格稱為頁表(Page table)，頁表由一個個條目(Entry)組成;每個條目存儲了一段虛擬地址對應的物理地址及其訪問權限，或者下一級頁表的地址。

　　在ARM CPU中使用第二種方法。S3C2410/S3C2440最多會用到兩級頁表：以段(Section,1MB)的方式進行轉換時只用到一級頁表，以頁(Page)的方式進行轉換時用到兩級頁表。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、細頁表描述符——它們保存二級頁表的物理地址。

　　大概的轉換過程如下：

　　1)根據給定的虛擬地址找到一級頁表中的條目;

　　2)如果此描述符是段描述符，則返回物理地址，轉換結束;

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

　　4)如果這第二個條目是頁描述符，則返回物理地址，轉換結束;

　　5)其他情況出錯。