MMU原理-优快云博客

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一、介绍

现代操作系统普遍采用虚拟内存管理（Virtual Memory Management）机制，这需要处理器中
的MMU（Memory Management Unit，内存管理单元）提供支持。它是一种负责处理CPU的内存访问请求的计算机硬件。它的功能包括虚拟地址到物理地址的转换、内存保护、中央处理器高速缓存的控制，

二、工作原理

首先引入两个概念，虚拟地址和物理地址。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），如下图所示

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，如下图所示。

如果是32位处理器，则内地址总线是32位的，与CPU执行单元相连（图中只是示意性地画了4条地址线），而经过MMU转换之后的外地址总线则不一定是32位的。也就是说，虚拟地址空间和物理地址空间是独立的， 32位处理器的虚拟地址空间是4GB，而物理地址空间既可以大于也可以小
于4GB。（很好理解，电脑的内存条可以是8G，也可以是4G，甚至2G）

MMU将VA映射到PA是以页（Page）为单位的， 32位处理器的页尺寸通常是4KB。例如， MMU可以通过一个映射项将VA的一页0xb7001000~0xb7001fff映射到PA的一页0x2000~0x2fff，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。物理内存中的
页称为物理页面或者页帧（Page Frame）。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。

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。

我们在程序中使用的变量和函数都有各自的地址，程序被编译后，这些地址就成了指令中的地址，指令中的地址被CPU解释执行，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，程序中使用的地址都是虚拟地址，都会引发MMU做查表和地址转换操作。

三、MMU如何知道页表在哪

前面说页表存储在物理内存中，那么MMU怎么知道这个页表在内存中的具体地址呢？通常CPU会提供一个页表基址寄存器给操作系统使用，用于给MMU指示页表的基地址。不同处理器架构对应的寄存器也不一样：

x86：CR3（Control Register 3）

ARM-v8：系统寄存器TTBR（Translation Table Base egister）

RISC-V：SATP（Supervisor Address Translation and Protection）

页表基址寄存器存储了第一级页表的基地址，通过访问该寄存器，就能知道页表在那个位置。

四、内存保护

MMU除了做地址转换之外，还提供内存保护机制。各种体系结构都有用户模式（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内存页面的访问权限，有些页面不允许访问，有些页面只有在CPU处于特权模式时才允许访问，有些页面在用户模式和特权模式都可以访问，访问权限又分为可读、可写和可执行三种。

这样设定好之后，当CPU要访问一个VA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，如果和操作系统设定的页面权限相符，就允许访问，把它转换成PA，否则不允许访问，产生一个异常（Exception）。异常的处理过程和中断类似，不同的是中断由外部设备产生而异常由CPU内部产生，中断产生的原因和CPU当前执行的指令无关，而异常的产生就是由于CPU当前执行的指令出了问题，例如访问内存的指令被MMU检查出权限错误，除法指令的除数为0等都会产生异常。