MMU内存管理单元【arm-linux学习】

#内容较多没看完。写的不错。

什么是MMU

MMU(Memory Management Unit)主要用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权、多任务多进程操作系统。（来自百度百科，对其几个点不熟悉，因此可以只考虑加粗部分）

发展历史

注意：学习一个知识点，很重要的一步是了解其为什么而存在？它的存在是为了解决什么问题？然后，在学习的过程中带着这些问题去理解、去思考。

在许多年以前，还是使用DOS或一些古老的操作系统时，内存很小，同时，应用程序也很小，将程序存储在内存中基本能够满足需要。随着科技的发展，图形界面及一些其他更复杂的应用出现，内存已经无法存储这些应用程序了，通常的解决办法是将程序分割成很多个覆盖块，覆盖块0最先运行，运行结束之后，就调用另一个覆盖块，虽然这些操作由OS来完成，但是，需要程序员对程序进行分割，这非常不高效；因此，人们想出了一个虚拟存储器（virtual memory）的方法。虚拟存储器的基本思想是：程序、数据、堆栈的总大小可以超过内存空间的大小，操作系统将当前运行的部分保存在内存中，未使用的部分保存在磁盘中。比如一个16MB的程序和一个内存只有4MB的机器，操作系统通过选择可以决定哪部分4MB的程序内容保存在内存中，并在需要时，在内存与磁盘中交换程序代码，这样16MB的代码就可以运行在4MB的机器中了。注意：这里面包含了虚拟地址和物理地址的概念

以相对有限的内存空间运行远大于空间的程序代码

相关概念

地址范围、虚拟地址映射成物理地址以及分页机制

• 地址范围： 指处理器能够产生的地址集合，如一个32bit的处理器ARM9，其能产生的地址集合是0x0000 0000 ~ 0xffff ffff(4G)，这个地址范围也称为虚拟地址空间，其中对应的地址为虚拟地址。
• 虚拟地址与物理地址： 与虚拟地址空间和虚拟地址相对应的是物理地址空间和物理地址；物理地址空间只是虚拟地址空间的一个子集。如一台内存为256MB的32bit X86主机，其虚拟地址空间是0 ~ 0xffffffff(4GB)，物理地址空间范围是0 ~ 0x0fff ffff(256M)
• 分页机制：

  • 如果处理器没有MMU，或者有MMU但没有启用，CPU执行单元发出的内存地址将直接传到芯片引脚上，被内存芯片（以下称为物理内存，以便与虚拟内存区分）接收，这称为物理地址（Physical Address，以下简称PA），如下图3-1-1所示；

    

    图3-1-1 未使用MMU.png

    
    如果处理器启用了MMU，CPU执行单元发出的内存地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址（Virtual Address，以下简称VA），而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上，也就是将VA映射成PA，，如下图3-1-2。

    

    图3-1-2 使用了MMU.png

  • 大多数使用MMU的机器都采用分页机制。虚拟地址空间以页为单位进行划分，而相应的物理地址空间也被划分，其使用的单位称为页帧，页帧和页必须保持相同，因为内存与外部存储器之间的传输是以页为单位进行传输的。例如，MMU可以通过一个映射项将VA的一页0xb70010000xb7001fff映射到PA的一页0x20000x2fff，如果CPU执行单元要访问虚拟地址0xb7001008，则实际访问到的物理地址是0x2008。

虚拟内存的哪个页面映射到物理内存的哪个页帧是通过页表（Page Table）来描述的，页表保存在物理内存中，MMU会查找页表来确定一个VA应该映射到什么PA。

功能

执行过程

操作系统和MMU是这样配合的：

1. 操作系统在初始化或分配、释放内存时会执行一些指令在物理内存中填写页表，然后用指令设置MMU，告诉MMU页表在物理内存中的什么位置。

2. 设置好之后，CPU每次执行访问内存的指令都会自动引发MMU做查表和地址转换操作，地址转换操作由硬件自动完成，不需要用指令控制MMU去做。

重要：我们在程序中使用的变量和函数都有各自的地址，在程序被编译后，这些地址就成了指令中的地址，指令中的地址就成了CPU执行单元发出的内存地址，所以在启用MMU的情况下， 程序中使用的地址均是虚拟内存地址，都会引发MMU进行查表和地址转换操作。（注意理解这句话）

内存保护机制

处理器一般有用户模式（User Mode）和特权模式（privileged Mode）之分。操作系统可以在页表中设置每个页表访问权限，有些页表不可以访问，有些页表只能在特权模式下访问，有些页表在用户模式和特权模式下都可以访问，同时，访问权限又分为可读、可写和可执行三种。这样设定之后，当CPU要访问一个VA（Virtual Address）时，MMU会检查CPU当前处于用户模式还是特权模式，访问内存的目的是读数据、写数据还是取指令执行，如果与操作系统设