【微知】为什么64位的操作系统一般只使用48bit作为虚拟地址的长度?(映射转换开销大)

64位系统为何常用48bit作虚拟地址长度

对于处理器字长32位的芯片,最大虚拟地址空间只有4GB。 2^32=4G
对于处理器字长64位的芯片,最大虚拟地址空间理论上可以到2^64这么大。 但是实际上一般只用了其中的48Bit来表示虚拟地址空间。为什么呢?
主要2个原因:

  1. 应用需要的地址空间并不需要从32Bit的4GB过度提升。
  2. 另一方面稍短的地址长度对于CPU和MMU做地址映射以及地址转换复杂度较低,减低存储管理的开销,但同时也满足了地址空间增长的需求。
    更多参考兄弟篇:64位地址的Linux进程地址空间内核和用户地址空间分别在哪?中间空洞到底有多大
    对于48Bit的虚拟地址空间,高16bit全1表示内核空间,全0表示用户空间。内核空间从0xffff8000 00000000开始。总的256T。
    在这里插入图片描述
    而对于物理地址(注意是物理地址空间)空间到底占用多少位是CPU架构决定的,比如ARMv8.0-A 最大可到48Bits,具体通过ARM的MMFR寄存器配置,支持配置为32 36 40 42 44 48。MMFR是Memory Model Feature Register寄存器,内存模型特征寄存器。
    对于ARMv8.2-A架构,可以配置到52Bits。
    对于ARMv9-A架构,可以配置到56Bits:
    在这里插入图片描述
    具体寄存器:MMFR0的低4bits来表示。如果是0101表示48bits模式。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    对于CPU芯片定义的虚拟地址范围参考:
    他会根据TCR寄存器配置,如果是0则48bits,如果是1则56bits。
    在这里插入图片描述
    TCR是Translation Control Register ,转换控制寄存器。这个寄存器和MMU存储基地址的TTBR寄存器是同一个硬件单元。
    TCR寄存器:
    在这里插入图片描述
    注意其中的Bit32-34,3个bits,
    在这里插入图片描述
<think>我们正在讨论FMMU(FieldbusMemoryManagementUnit)在EtherCAT(以太网控制自动化技术)中的作用。根据用户提供的引用内容,FMMU是于从站芯片ESC(EtherCATSlaveController)中的一个单元,负责将主站的逻辑地址映射到从站的物理地址。这样,主站可以通过统一的逻辑地址访问多个从站的不同物理内存区域,而不需要知道每个从站的具体物理地址。用户的问题有两个部分:1.FMMU映射的地址是什么意思?2.逻辑寻址中FMMU的作用是什么?下面我将结合引用内容进行解答。###1.FMMU映射的地址是什么意思?在EtherCAT系统中,每个从站设备都有自己的本地物理内存(ESC内存)。这些物理内存地址对于从站来说是本地的,不同从站的物理地址可能重叠(比如多个从站都有地址0x1000),因此主站不能直接用这些物理地址来访问,否则会发生冲突。FMMU映射的地址就是解决这个问题的机制:-**逻辑地址**:由主站定义的全局统一的地址空间。主站配置FMMU时,会指定一个逻辑地址的起始地址(以及数据长度、起始等),这个逻辑地址在主站看来是连续的、唯一的。-**物理地址**:从站设备内部的本地内存地址(如引用[2]中提到的“从站物理地址的起始地址”)。FMMU的作用就是建立从逻辑地址到物理地址的映射关系。例如:-引用[3]中的例子:从站1001的FMMU1配置为,将逻辑地址10000映射到从站物理地址0x1C00,长度2字节。这样,当主站读取逻辑地址10000时,实际上是从该从站的0x1C00地址读取2字节数据。这种映射关系类似于学校中的学号与学生姓名的映射(引用[4]的比喻):-学号(逻辑地址)是全局唯一的,由学校(主站)分配。-姓名(物理地址)是本地标识,可能重复(不同班级可能有同名学生)。通过学号与姓名的映射,学校可以准确找到学生(主站通过逻辑地址访问从站物理内存)。因此,FMMU映射的地址指的是:-**逻辑地址**:主站使用的全局地址。-**物理地址**:从站内部的本地地址。FMMU实现了从逻辑地址到物理地址的转换。###2.逻辑寻址中FMMU的作用是什么?在EtherCAT的逻辑寻址机制中,FMMU扮演着核心角色:1.**实现主站对多个从站的统一访问**主站通过配置所有从站的FMMU(引用[2]),将不同从站的物理地址映射到主站逻辑地址空间的不同区域。这样,主站只需使用逻辑地址,就可以同时操作多个从站,无需关心数据具体于哪个从站。例如:-主站配置从站A的物理地址0x1000映射到逻辑地址0x2000。-主站配置从站B的物理地址0x2000映射到逻辑地址0x3000。主站读取逻辑地址0x2000时,实际访问从站A的0x1000;读取0x3000时,访问从站B的0x2000。2.**支持高效的数据读写**FMMU配置包括操作类型(只读、只写、读写),确保主站操作的安全性(引用[1])。例如,配置为只读的逻辑地址,主站写入操作会被ESC拒绝。3.**优化通信效率**FMMU允许主站通过单次广播操作访问多个从站的数据。例如:-主站发送一个逻辑地址读请求,所有从站的FMMU并行处理:若逻辑地址落在自己映射的范围内,则从本地物理地址读取数据并返回。这避免了主站与每个从站单独通信的开销。4.**灵活配置映射范围**FMMU支持非连续映射(引用[2]):-可配置逻辑地址的起始、终止级粒度)。-可配置物理地址的起始(允许对齐非字节边界的数据)。例如,将逻辑地址的第0映射到从站A的某寄存器第1,实现精确控制。###总结-**FMMU映射的地址**:指主站逻辑地址与从站物理地址之间的映射关系,使主站能用全局地址访问分散的从站本地内存[^1][^2][^3]。-**FMMU在逻辑寻址中的作用**:1.实现主站对多从站的统一寻址;2.提升通信效率(单次操作访问多个从站);3.提供安全控制(读写权限);4.支持非连续、级精度的地址映射[^1][^2][^4]。这种机制是EtherCAT实现高性能实时通信的关键技术之一。§§相关问题§§1.EtherCAT主站如何配置FMMU?2.FMMU与标准计算机体系结构中的MMU有何异同?3.为什么EtherCAT需要逻辑寻址而非直接使用物理地址?4.FMMU的配置错误会导致什么通信问题?</think>### FMMU映射地址在逻辑寻址中的作用解析 结合您提供的EtherCAT系统引用[^1][^2][^3][^4],我将从底层硬件机制和系统设计角度解释FMMU的核心作用。FMMU(Fieldbus Memory Management Unit)是EtherCAT从站芯片(ESC)中的专用硬件单元,其地址映射机制是实时工业总线高效通信的关键。 --- ### 1. **FMMU映射地址的本质** FMMU映射地址是**主站逻辑地址与从站物理地址的转换关系**,包含两个核心要素: - **主站逻辑地址** 主站定义的全局统一地址空间(如引用[^4]的"学号"类比)。 - 由主站配置起始地址(如 `0x10000`) - 长度按字节计算(如2字节) - 可跨越多个从站(如引用[^2]所述"主站可同时操作多个从站") - **从站物理地址** 从站芯片(ESC)内部的本地存储地址(如引用[^3]的 `0x1C00`)。 - 通常是寄存器或内存区域的固定物理置 - 不同从站的物理地址可能重叠(如多个从站都有 `0x1000` 地址) **映射过程示例**(基于引用[^3]): ```math \begin{aligned} &\text{主站读操作:} \quad \text{Read(逻辑地址} 10000\text{)} \\ &\Downarrow \text{FMMU转换} \\ &\text{实际访问:} \quad \text{从站物理地址} 0x1\text{C00} \end{aligned} ``` > 此过程无需主站感知从站物理置,实现**地址解耦**。 --- ### 2. **FMMU在逻辑寻址中的核心作用** #### (1) **实现分布式地址统一化** - **问题**:多个从站有相同物理地址(如所有电机状态寄存器都在 `0x2000`),直接访问会冲突。 - **FMMU解决方案**: 通过配置不同的逻辑地址映射(如: - 从站1的 `0x2000` → 主站逻辑地址 `0x5000` - 从站2的 `0x2000` → 主站逻辑地址 `0x6000` ) 使主站能用唯一逻辑地址访问各设备(类似引用[^4]的"学号唯一标识学生")。 #### (2) **支持高效广播通信** - 主站发送**单条逻辑地址指令**(如写 `0x10000-0x100FF`),FMMU自动将其拆解并路由到: - 从站A:映射物理地址 `0x0100-0x01FF` - 从站B:映射物理地址 `0x0200-0x02FF` (引用[^2]:"配置所有从站的FMMU后,主站可单次操作多个从站") #### (3) **精细化数据访问控制** FMMU配置参数实现级精度(引用[^1][^2]): - **逻辑地址起始**(如从第3bit开始) - **物理地址起始**(如映射到从站寄存器的第0bit) - **操作类型**(只读/只写/读写,保护关键寄存器) - **数据长度**(按跨字节数计算,支持非对齐访问) #### (4) **降低主站处理负载** - 地址转换由从站ESC的FMMU硬件实时完成(纳秒级),无需主站CPU参与。 - 对比:传统Modbus等总线需主站软件管理地址映射,消耗CPU资源。 --- ### 3. **FMMU映射的工作流程** ```mermaid graph LR A[主站] -->|配置命令| B[FMMU参数] B --> C1[逻辑起始地址] B --> C2[物理起始地址] B --> C3[数据长度] B --> C4[偏移] B --> C5[操作权限] A -->|读写逻辑地址| D[FMMU单元] D -->|实时转换| E[从站物理内存] E -->|返回数据| A ``` > 流程基于引用[^1][^2]的配置项和引用[^3]的转换过程。 --- ### 4. **与传统计算机逻辑寻址的对比** | **特性** | EtherCAT FMMU | 计算机体系结构逻辑寻址 | |-------------------|-----------------------------------|------------------------------| | 映射目标 | 从站物理寄存器地址 | 物理内存地址 | | 管理单元 | ESC芯片内置硬件(FMMU) | MMU(内存管理单元) | | 地址空间 | 主站定义的全局逻辑地址 | 进程独立的虚拟地址空间 | | 实时性要求 | 微秒级硬实时转换 | 毫秒级转换(含TLB等优化) | | 配置权限 | 主站初始化时配置(运行时固定) | 操作系统动态管理(可修改) | | 典型应用场景 | 工业控制现场总线 | 通用计算系统 | > 关键差异:FMMU为**硬件实时映射**,无OS层参与;计算机逻辑寻址需OS配合MMU实现[^1][^2]。 --- ### 总结:FMMU的核心价值 - **对主站**:提供统一的逻辑地址视图,简化多设备协同控制。 - **对从站**:屏蔽物理地址差异,实现即插即用扩展性。 - **对系统**:通过硬件级地址转换保障**实时性**和**确定性**,满足工业控制严苛时序要求(引用[^1][^2])。 > 正如引用[^4]的学号类比:FMMU是"学校管理系统",逻辑地址是"学号",物理地址是"学生姓名"。主站只需调用学号(逻辑地址),FMMU自动找到对应学生(从站物理资源)。
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