ARM架构（五）—

ARM架构（五）——MMU①

2024-09-07 01:28

文章标签 架构 arm mmu

本文主要是介绍ARM架构（五）——MMU①，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1.MMU基础

1.1 为什么要用MMU，为什么要用虚拟地址？

MMU的作用，主要是完成地址的翻译，即虚拟地址到物理地址的转换，无论是main-memory地址(DDR地址)，还是IO地址(设备device地址)，在开启了MMU的系统中，CPU发起的指令读取、数据读写都是虚拟地址，在ARM Core内部，会先经过MMU将该虚拟地址自动转换成物理地址，然后在将物理地址发送到AXI总线上，完成真正的物理内存、物理设备的读写访问。
可以让系统中的多个程序跑在自己独立的虚拟地址空间中，相互不会影响。程序可以对底层的物理内存一无所知，物理地址可以是不连续的，但是不妨碍映射连续的虚拟地址空间
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多个程序独立执行(不需要知道具体物理地址)
虚拟地址是连续的(程序可以在多个分段的物理内存运行)
允许操作系统管理内存(哪些是可见的，哪些是允许读写的，哪些是cacheable的…)

1.2 MMU作用

MMU负责地址转换，包括：

1）table walk unit，负责从内存中读取页表；

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2）TLBs，负责缓存最近使用的页表项；

需要强调的是，应用程序发起的任何内存地址访问都是虚拟地址。虚拟地址被发送给MMU，MMU首先在TLBs中查找是否有对应的页表项，如果没有找到对应的页表项，那么table walk unit会从内存中读取合适的页表项（table entry）

2.地址空间

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CPU看到的都是虚拟地址，经过MMU页表转换，去访问真正的物理地址。

2.1 虚拟地址到物理地址的转换

虚拟地址到物理地址的映射通过查表的机制来实现，ARMv8中，Kernel Space的页表基地址存放在TTBR1_EL1寄存器中，User Space页表基地址存放在TTBR0_EL1寄存器中，其中内核地址空间的高位为全1，(0xFFFF0000_00000000 ~ 0xFFFFFFFF_FFFFFFFF)，用户地址空间的高位为全0，(0x00000000_00000000 ~ 0x0000FFFF_FFFFFFFF)。
当然高位的连续1个数不是固定的，这里只是举个例子，可以通过参数配置不同的空间大小。
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MMU会根据映射表来查找虚拟地址对应的物理页表入口，对于用户态的内存映射表，我们使用的映射表TTBR0_EL0，而对于内核态，对应的TTBR1_EL1。区别就是TTBR1_EL1可以映射外设物理地址、ROM和RAM，而TTBR0_EL0只能映射到RAM。ARMv8架构通过这种方式来分离映射用户层和内核层的虚拟地址。
每个页面都需要在操作系统中进行记录，毕竟你要使用它，必须得知道它的起始地址、大小、是否已经被分配等信息，而记录每个页面的相关信息也需要内存，这就是管理成本。同时，既然操作系统是按照页面进行记录的，那么在使用内存时也是以页面为单位，但是实际的内存使用中并不会刚好用完一个页面，可能只有 2/3 页，默认情况下，剩下的 1/3 也就被浪费了，这就是内存的利用率。那么，那剩下的 1/3 是不是可以继续使用呢，当然也是可以的，但是操作系统又得花一些内存去记录那 1/3 内存的起始地址以及使用的相关信息，又增加了管理成本，而管理成本越高，管理所浪费的内存越多，所以这很矛盾。

为了实现更高的效率，查表的过程往往是分级实现的，分多少级？每一级覆盖多大？这就设计Translation granule的概念。它定义了va的最小管理粒度。

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