ARM存儲器之：存儲管理單元MMU

15.5.4MMU的使能與禁止

MMU的使能/禁止可以通過CP15寄存器的c1的bit[0]來控制。

·bit[0]=0，MMU禁止。

·bit[0]=1，MMU使能。

下面的例子顯示了典型的MMU使能過程。

【例15.4】典型的MMU使能過程。

MRCp15，0，r0，c1，0，0

ORRr0，＃01

MCRp15，0，r0，c1，0，0

當MMU被禁止時，存儲訪問執行下列過程。

①當禁止MMU時，存儲系統是否支持Cache和寫緩存，根據不同芯片設計不同而有所不同（ARM公司將設計權交給芯片廠商）。

·如果芯片規定當禁止MMU時禁止Cache和寫緩存，則存儲訪問不考慮C、B控制位。

·如果芯片規定禁止MMU時使能Cache和寫緩存，則數據訪問被視為無Cache（uncachable）和寫緩存（unbufferable）的，即C=0、B=0。讀取指令時，如果系統是統一的TLB，則C=0；如果使用分開的TLB，則C=1。

②存儲訪問不受權限控制，MMU也不會產生存儲訪問中止信號。

③所有物理地址和虛擬地址相等，即使用平板存儲模式。

使能/禁止MMU時需要注意以下幾個問題。

·在使能MMU之前，正確的傳輸表要在內存中事先建立，CP15的相關寄存器必須完成初始化操作。

·如果使用的不是平板存儲模式（物理地址和對應虛擬地址相等），在禁止/使能MMU時，虛擬地址和物理地址的對應關系發生變化，這時應該清除（Flush）Cache中的當前地址變換入口（Entry）。

·如果完成禁止/使能MMU的代碼的物理地址和虛擬地址不同，則禁止/使能MMU將帶來很大麻煩，因此建議完成使能/禁止MMU的代碼的物理地址和虛擬地址相同。

15.5.5虛擬地址到物理地址的轉換

（1）地址重定位

為了使任務有各自的虛擬存儲器映射，MMU硬件采用地址重定位，在地址訪問主存之前，轉換有處理器輸出的虛擬地址。當處理器產生一個虛擬地址時，MMU取出這個虛擬地址的高位，遍歷傳輸表，從而形成一個物理地址。

虛擬存儲空間到物理存儲空間的映射是以內存塊為單位進行的。也就是說，虛擬存儲空間中一塊連續的存儲空間被映射到物理存儲空間中同樣大小的一塊連續存儲空間。

虛擬存儲空間到物理存儲空間地址重映射過程如圖15.24所示。

圖15.24虛擬存儲空間到物理存儲空間地址重映射過程

ARM支持的存儲塊的大小有以下幾種。

·段（Sections）：大小為1M的存儲塊。

·大頁（Largepages）：大小為64KB。

·小頁（Smallpages）：大小為4KB。

·極小頁（TinyPages）：大小為1KB。

段和大頁只需通過一次映射就可以將虛擬地址轉換成物理地址，也可以根據需要增加一級映射，采用兩級映射的方式再將大頁分成16KB的子頁，小頁分成1KB的子頁。極小頁不能再分，只能以1KB大小的整頁為單位。

ARM在內存中存在兩級頁表以實現上述地址映射過程。

·一級頁表：一級頁表包括兩種類型的頁表項，即保持指向二級頁表起始地址的頁表項和保存用于轉換段（Section）地址的頁表項。一級頁表也稱為段頁表（sectionpagetable）。

·二級頁表：二級頁表包含以大頁和小頁為單位的地址變換頁表項。

一級頁表將4G地址空間劃分為多個1MB的段（Section），因此一級頁表包含4096個頁表項。一級頁表是一個混合表，可以作為二級頁表的目錄表，也可以作為用于轉換1MB段（也可視為1MB的虛擬頁）的普通頁表。當一級頁表作為頁目錄時，其頁表項包含的是代表1MB虛擬空間的二級頁表指針。二級頁表分為粗頁表（Coarse）和細頁表（Fine）。當一級頁表用于轉換一個1MB的段時，其頁表項包含的是物理存儲器中對應1MB頁幀（pageframe）的首地址。

一個粗二級頁表（Coarse）包含256個頁表項，占有1KB的主存空間，每個頁表項將一個4KB的虛擬存儲塊轉換成一個4KB的物理存儲塊。粗二級頁表支持4KB和64KB的頁，頁表項包含的是4KB或64KB的頁幀地址。如果轉換的是一個64KB的頁，則對于每個64KB的頁，同一個頁表項必須在頁表中重復16次。

一個細二級頁表（Fine）有1024個頁表項，占有4KB的主存空間，每個頁表項轉換一個1KB的存儲塊。細頁表支持1KB、4KB、64KB虛存頁，每個頁表項包含1KB、4KB或64KB的物理頁幀首地址。如果轉換的是4KB的頁，則同一個頁表項必須在頁表中連續重復4次；如果轉換的是64KB的頁，則同一個頁表項需要在頁表中連續重復64次。