【正文】 6—4 存儲管理單元 MMU MMU(Memory Management Unit) MMU提供的一個關(guān)鍵服務(wù)是使各個任務(wù)作為各自獨(dú)立的程序在其自己的私有存儲空間中運(yùn)行。 存儲器有兩種類型的地址：虛擬地址和物理地址。 641 MMU概述 內(nèi)存管理單位 MMU，對處理器內(nèi)存管理主要是通過一個叫作傳輸表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。 每個入口定義了存儲空間的一個頁，頁的大小從 lKB到 1MB，同時(shí)定義了這些頁的屬性 641 MMU概述 ARM系統(tǒng)中， MMU主要完成以下工作： 虛擬存儲空間到物理存儲空間的映射； 存儲器訪問權(quán)限的控制； 設(shè)置虛擬存儲空間的緩存特性。 這個小容量的頁表 Cache稱為TLB(Translation Lookaside Buffer)。每個域?qū)?yīng)一定的內(nèi)存區(qū)域。 641 MMU概述 從內(nèi)存管理單元 控制存儲器的訪問權(quán)限 將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址 MMU 的組成 后備變換緩沖器 (TLB) 最近用于頁變換的 cache 頁表浮動硬件邏輯 更新 TLB 訪問控制邏輯 如果 MMU 被禁用了 外部地址總線將直接輸出虛擬地址 641 MMU概述 與 MMU有關(guān)的協(xié)處理器寄存器及其作用 協(xié)處理器寄存器 作用 c1中某些位 配置 MMU中的一些操作 c2 保存內(nèi)存中頁表基地址 c3 設(shè)置域訪問權(quán)限 c4 保留 c5 內(nèi)存訪問失效狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn) c6 內(nèi)存訪問失效時(shí)失效地址 c8 控制與清除 TLB內(nèi)容相關(guān)的操作 clO 控制與鎖定 TLB內(nèi)容相關(guān)的操作 642 MMU與 MPU 在 ARM體系結(jié)構(gòu)中， MMU將 MPU的功能大大地增加，使系統(tǒng)內(nèi)存管理更加靈活、方便。 使用 MMU中虛擬地址到物理地址的映射功能，即使任務(wù)被編譯、連接、運(yùn)行在主存中有重疊地址的區(qū)域中，它們?nèi)匀豢梢赃\(yùn)行。 如果 TLB中不保護(hù)虛擬地址入口 (Entry)， 那么它將轉(zhuǎn)入保存在內(nèi)存中的傳輸主表 ， 來獲得所有訪問地址的物理地址和訪問權(quán)限 。 643 內(nèi)存的訪問過程 保護(hù) amp。 bit[0]=0， MMU禁止。 當(dāng) MMU被禁止時(shí)，存儲訪問執(zhí)行下列過程。 如果芯片規(guī)定當(dāng)禁止 MMU時(shí)禁止 Cache和寫緩存，則存儲訪問 如果芯片規(guī)定禁止 MMU時(shí)使能 Cache和寫緩存，則數(shù)據(jù)訪問被視為無 Cache (uncachable)和寫緩存 (unbufferable)的，即 C=0、 B=0。 存儲訪問不受權(quán)限控制， MMU也不會產(chǎn)生存儲訪問中止信號。 645 虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換 為了使任務(wù)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(zhuǎn)換處理器輸出的 虛擬地址 。 虛擬存儲空間到物理存儲空間的映射是以 內(nèi)存塊 為單位進(jìn)行的。 大頁 (Large pages)：大小為 64KB。 極小頁 (Tiny Pages)：大小為 lKB。 一級頁表： 一級頁表包括兩種類型的頁表項(xiàng)，即保持指向二級頁表起始地址的頁表項(xiàng)和保存用于轉(zhuǎn)換段 (Section)地址的頁表項(xiàng)。 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(xiàng)。 MMU 訪問主要由域控制 所有定義的存儲器區(qū)域都有一個相關(guān)聯(lián)的域 域被定義為 2比特的讀寫區(qū) 可以定義 16個域 域通常允許 3個狀態(tài) 客戶態(tài) – 服從段或頁描述中的訪問權(quán)限 管理態(tài) – 忽略段或頁描述中的訪問權(quán)限 所以無錯誤產(chǎn)生 無讀寫態(tài) – 任何訪問都將產(chǎn)生一個域錯誤 可以通過簡單的協(xié)處理器寫操作修改域的讀寫區(qū) D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 31 0 646 域 (domain)和存儲器訪問權(quán)限 646 域 (domain)和存儲器訪問權(quán)限 646與 TLB相關(guān)的操作 如果操作系統(tǒng)改變了頁表中的數(shù)據(jù)，那么緩存在 TLB中的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可能就不再有效了。 由于對 TLB表的查詢經(jīng)常會使系統(tǒng)訪問內(nèi)存 (要查詢的段、頁不在 TLB中 )，這就使得系統(tǒng)的平均訪問時(shí)間大大增加。 65 快速上下文切換擴(kuò)展 快速上下文切換擴(kuò)展原理 快速上下文切換擴(kuò)展 (FCSE， Fast Context Switch Extension)是 MMU中的一個附加硬件，用于提高 ARM嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)性能。 65 快速上下文切換擴(kuò)展 快速上下文切換擴(kuò)展原理 65 快速上下文切換擴(kuò)展 C13用于快速的文本切換 (FCSE) 進(jìn)程 ID 可以取代虛擬地址的位 [31:25] 如果 CP15 之 R13 是 0, VA 位 [31:25] 未修改 有效地允許每個進(jìn)程運(yùn)行在相同的虛擬地址空間 復(fù)未時(shí)為 0 MCR/MRC p15,0,Rd,c13,c0,0 讀進(jìn)程 ID寄存器，返回進(jìn)程標(biāo)識 寫操作將更新進(jìn)程標(biāo)識 Process ID SBZ 31 25 24 0 65 快速上下文切換擴(kuò)展 C13用于快速的文本切換 (FCSE) VA[24:0] 進(jìn)程 ID VA[31:25] 判決邏輯 來自內(nèi)核的指令地址 VA[31:0] MVA[31:0] 修改過的地址 送入 Cache和 MMU OS 進(jìn)程管理 65 快速上下文切換擴(kuò)展 如果 ( 0 ? VA 32 MB ) 則 MVA = (32MB? Process ID) + VA 4 GB 32 MB 來自內(nèi)核的虛擬地址 (VA) MMU虛擬地址 (MVA) 4 GB 32 MB 0 MB 進(jìn)程 ID P0 P1 P2 P3 P4 P31 P30 0 MB 階段總結(jié) ? ARM存儲器的組織 ? 協(xié)處理器 CP15的用途 ? Cache的工作原理和控制策略 ? 存儲管理單元 MMU的作用 ? 虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換 ? 快速上下文切換 階段練習(xí) 相比一級頁表，多級頁表有何優(yōu)點(diǎn)？ 頁表為 Coarse Page Table，頁為 Large Page時(shí)的轉(zhuǎn)換過程是怎樣的？ 為使系統(tǒng)性能最佳， NWay Set Associative Cache的N應(yīng)根據(jù)什么確定？ 本章總結(jié) CP15協(xié)處理器 協(xié)處理器 CP15結(jié)構(gòu)和功能 高速 Cache 內(nèi)存管理單元 MMU 快速上下文切換 ARM存儲器