第4课 MMU内存管理单元

MMU主要作用:

1.权限管理:静止程序的非法访问，如访问内核空间，其他程序的地址空间

2.地址映射。MMU提供了虚拟地址到物理地址的映射(CPU使用虚拟地址)。测试,hello1,hello2.映射成连续的地址空间。方便的实现动态内存的管理。

CPU不关心发出的是物理地址还是虚拟地址。

链接地址(没有虚拟地址，和物理地址的概念,就是一个单纯的地址)，而是从CPU的角度看到的，从CPU角度来说的。

//ARM体系架构与编程

//linux内核完全注释

虚拟地址->物理地址:

1.可以通过建立简单的映射表达式

2.可以通过建立表格(这个表格从术语上来说就叫"页表")

对于ARM架构有以下几种方式:

1.段页映射(一个段映射1M，4GB需要4096个表项)   

2.页映射（大页，小页，极小页）

0xA0000050 -> 0X56000050

以1M为起始对其的话就是

0xA0000050 ->0X56000000

第1个1M，0x0—0x0fffff,第2个M，0x100000-0x1fffff，依次类推……

步骤:

建立地址映射表格      本实验用虚拟地址点亮LED。 至少要建立3个表  0~4090->0-4096  0xB0004000~0x30004000   0xA0000050-0x56000050

表格地址告诉MMU

启动MMU

用汇编语言调用C语言之前，必须先初始化堆栈指针。

CPU一上电，是直接访问的物理地址。当MMU完成初始化,开始从MMU访问。

ARM CPU上的地址转换涉及3个概念:

虚拟地址VA

变换后的虚拟地址MVA

物理地址PA

没启动MMU，CPU,Cache，MMU，外设所有部件都是用的是物理地址

启动MMU后，CPU对外发出虚拟地址VA，VA被转换成MVA后供给Cache,MMU使用,MMU将MVA转换为PA，最后使用PA读写实际设备。

在这里:

CPU看到的用到的只是VA。

而Cache,MMU看到的只是MVA,利用MVA，转换成PA

实际设备看到的只是PA

if(VA<32M) then  硬件自动完成的。

MVA = VA | (PID < < 25)

else

MVA = VA

利用MVA的目的是为了减少进程切换的代价。

一旦在开启MMU之后，无论是CPU取指，还是CPU读写数据，使用的都是虚拟地址。

0b表示二进制。0x 16进制 0表示8进制

一、MMU地址转换：
1.首先弄清除为什么要使用MMU纳？MMU即内存管理单元，直白一点的讲，就像食堂的餐具，所有的学生一起吃饭时不够用，但食堂又不想再出资购买新的餐具(原因很明显：一方面要成本，另一方面又占地方。这就像增加内存一样)，那么有没有解决办法？根据以往经验得知不可能全学校的学习一起都到食堂吃饭，于是食堂就找几个人负责餐具的管理(相当于MMU)，他们一方面发放餐具，保证来的同学有餐具可用，另一方面又回收用完的餐具(这就相当于虚拟地址到物理地址之间建立了一个映射一样，内存还是那么多，但从任意单个程序角度都好像用不完一样)。当然如果有同学一个人拿好几套餐具肯定不允许的(这就相当于内存的权限检查)。MMU在地址转换过程中涉及到三种地址：(VA---Virtual Address，虚拟地址)---这个就相当于餐具存放的地方(大家都可以领到餐具)。CPU核心看到和用到的只是虚拟地址VA，至于VA如果去对应物理地址PA，CPU核心不理会，大家也不会去关心总共有多少餐具吧；(MVA---Modified Virtual Address，变换后的虚拟地址)---这个相当于放假的时候，人很少，只发餐具好了，用过的就不先回收了，节省人员了。Caches和MMU看不到VA，他们利用MVA转换得到PA，放假了回收餐具的人也不需要一直寻找用完的餐具；(PA---Physical Address,物理地址)---实际的餐具量，就那些。实际设备看不到VA、MVA，读写它们使用的是物理地址PA，同学们就餐一般会领到餐具。
2.虚拟地址到物理地址的转换过程。ARM使用页表来进行转换，S3C2410最多会用到两级页表，以段(Section，1M)的方式进行转换时只用到一级页表，以页(Page)的方式进行转换时用到两级页表。页的大小有3种：大页(64KB)、小页(4KB)和极小页(1KB)。本文只是以段地址转换过程为例来讲解一下，页的转换大同小异。
★首先有个页表基址寄存器(位置为协处理器CP15的寄存器C2)，它里面写入的就是一级页表的地址，通过读取它就可以找到一级页表存放的起始位置。一级页表的地址是16K对齐(所以[13:0]为0，使用[31:14]存储页表基址)。一级页表使用4096个描述符来表示4GB空间，所以每个描述符对应1MB的虚拟地址，存储它对应的1MB物理空间的起始地址，或者存储下一级页表的地址。使用MVA[31:20]来索引一级页表(31-20一共12位，2^12=4096，所以是4096个描述符)，得到一个描述符，每个描述符占4个字节。
★描述符最后两位为0B10时，即是段的方式映射。[31:20]为段基址，此描述符低20位填充0后就是一块1MB物理地址空间的起始地址。MVA[19:0]用来在这1MB空间中寻址。描述符的位[31:20]和MVA[19:0]构成了这个虚拟地址MVA对应的物理地址。以段的方式进行映射时，虚拟地址MVA到物理地址PA的转换过程如下：①页表基址寄存器位[31:14]和MVA[31:20]组成一个低两位为0的32位地址，MMU利用这个地址找到段描述符；②取出段描述符的位[31:20](段基址)，它和MVA[19:0]组成一个32位的物理地址(这就是MVA对应的PA)。

全过程涉及到:

1.页表基址寄存器

2.段描述符

3.MVA

示例代码解析：
开启MMU，并将虚拟地址0xA0000000~0xA0100000映射到物理地址0x56000000~0x56100000(GPFCON物理地址为0x56000050，GPFDAT物理地址为0x56000054)；将虚拟地址0xB0000000~0xB3FFFFFF映射到物理地址0x30000000~0x33FFFFFF。本示例以段的方式进行地址映射，只使用一级页表，通过上面内容可知一级页表使用4096个描述符来表示4G空间(每个描述符对应1MB)，每个描述符占4字节，所以一级页表占16KB。使用SDRAM的开始16KB存放一级页表，所以剩下的内存开始地址就为0x30004000，这个地址最终会对应虚拟地址0xB0004000(所以代码运行地址为0xB0004000)。
★程序执行主要流程的示例代码。
.text
.global _start
_start:
    bl  disable_watch_dog                   @ 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启
    bl  mem_control_setup                  @ 设置存储控制器以使用SDRAM
    ldr sp, =4096                                    @ 设置栈指针，以下是C函数调用前需要设好栈
    bl  copy_2th_to_sdram                   @ 将第二部分代码复制到SDRAM
    bl  create_page_table                     @ 设置页表
    bl  mmu_init                                      @ 启动MMU，启动以后下面代码都用虚拟地址
    ldr sp, =0xB4000000                       @ 重设栈指针，指向SDRAM顶端(使用虚拟地址)
    ldr pc, =0xB0004000                        @ 跳到SDRAM中继续执行第二部分代码
halt_loop:
    b   halt_loop
★设置页表。
void create_page_table(void)
{

/* 
* 用于段描述符的一些宏定义：[31:20]段基址，[11:10]AP，[8:5]Domain，[3]C，[2]B，[1:0]0b10为段描述符
*/ 
#define MMU_FULL_ACCESS     (3 << 10)   /* 访问权限AP */
#define MMU_DOMAIN          (0 << 5)    /* 属于哪个域 Domain*/
#define MMU_SPECIAL         (1 << 4)    /* 必须是1 */
#define MMU_CACHEABLE       (1 << 3)    /* cacheable C位*/
#define MMU_BUFFERABLE      (1 << 2)    /* bufferable B位*/
#define MMU_SECTION         (2)         /* 表示这是段描述符 */
#define MMU_SECDESC         (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | MMU_SECTION)
#define MMU_SECDESC_WB      (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | MMU_CACHEABLE | MMU_BUFFERABLE | MMU_SECTION)
#define MMU_SECTION_SIZE    0x00100000        /*每个段描述符对应1MB大小空间*/


    unsigned long virtuladdr, physicaladdr;
    unsigned long *mmu_tlb_base = (unsigned long *)0x30000000;        /*SDRAM开始地址存放页表*/
    
    /*
     * Steppingstone的起始物理地址为0，第一部分程序的起始运行地址也是0， 为了在开启MMU后仍能运行第一部分的程序， 将0～1M的虚拟地址映射到同样的物理地址
     */
    virtuladdr = 0;
    physicaladdr = 0;
    /*虚拟地址[31:20]用于索引一级页表，找到它对应的描述符，对应于(virtualaddr>>20)。段描述符中[31:20]保存段的物理地址，对应(physicaladdr & 0xFFF00000)*/
    *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | MMU_SECDESC_WB;  //此处利用了指针的运算，指针+（段描述符）* sizeof(unsigned long)

    /*
     * 0x56000000是GPIO寄存器的起始物理地址，GPBCON和GPBDAT这两个寄存器的物理地址0x56000010、0x56000014， 为了在第二部分程序中能以地址0xA0000010、0xA0000014来操作GPBCON、GPBDAT，
     * 把从0xA0000000开始的1M虚拟地址空间映射到从0x56000000开始的1M物理地址空间
     */
    virtuladdr = 0xA0000000;
    physicaladdr = 0x56000000;
    *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | MMU_SECDESC;


    /*
     * SDRAM的物理地址范围是0x30000000～0x33FFFFFF， 将虚拟地址0xB0000000～0xB3FFFFFF映射到物理地址0x30000000～0x33FFFFFF上， 总共64M，涉及64个段描述符
     */
    virtuladdr = 0xB0000000;
    physicaladdr = 0x30000000;
    while (virtuladdr < 0xB4000000)
    {
        *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | MMU_SECDESC_WB;
        virtuladdr += MMU_SECTION_SIZE; 
        physicaladdr += MMU_SECTION_SIZE; 
    }
}
★ 启动MMU。
void mmu_init(void)
{
    unsigned long ttb = 0x30000000;


__asm__(
    "mov    r0, #0\n"
    "mcr    p15, 0, r0, c7, c7, 0\n"    /* 使无效ICaches和DCaches */
    
    "mcr    p15, 0, r0, c7, c10, 4\n"   /* drain write buffer on v4 */
    "mcr    p15, 0, r0, c8, c7, 0\n"    /* 使无效指令、数据TLB */
    
    "mov    r4, %0\n"                   /* r4 = 页表基址 */
    "mcr    p15, 0, r4, c2, c0, 0\n"    /* 设置页表基址寄存器 */
    
    "mvn    r0, #0\n"                   
    "mcr    p15, 0, r0, c3, c0, 0\n"    /* 域访问控制寄存器设为0xFFFFFFFF， 不进行权限检查*/    
    /* 
     * 对于控制寄存器，先读出其值，在这基础上修改感兴趣的位，然后再写入
     */
    "mrc    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    /* 读出控制寄存器的值 */
    
    /* 控制寄存器的低16位含义为：.RVI ..RS B... .CAM
     * R : 表示换出Cache中的条目时使用的算法，0 = Random replacement；1 = Round robin replacement
     * V : 表示异常向量表所在的位置，0 = Low addresses = 0x00000000；1 = High addresses = 0xFFFF0000
     * I : 0 = 关闭ICaches；1 = 开启ICaches
     * R、S : 用来与页表中的描述符一起确定内存的访问权限
     * B : 0 = CPU为小字节序；1 = CPU为大字节序
     * C : 0 = 关闭DCaches；1 = 开启DCaches
     * A : 0 = 数据访问时不进行地址对齐检查；1 = 数据访问时进行地址对齐检查
     * M : 0 = 关闭MMU；1 = 开启MMU
     */
    
    /*  
     * 先清除不需要的位，往下若需要则重新设置它们    
     */
                                        /* .RVI ..RS B... .CAM */ 
    "bic    r0, r0, #0x3000\n"          /* ..11 .... .... .... 清除V、I位 */
    "bic    r0, r0, #0x0300\n"          /* .... ..11 .... .... 清除R、S位 */
    "bic    r0, r0, #0x0087\n"          /* .... .... 1... .111 清除B/C/A/M */


    /*
     * 设置需要的位
     */
    "orr    r0, r0, #0x0002\n"          /* .... .... .... ..1. 开启对齐检查 */
    "orr    r0, r0, #0x0004\n"          /* .... .... .... .1.. 开启DCaches */
    "orr    r0, r0, #0x1000\n"          /* ...1 .... .... .... 开启ICaches */
    "orr    r0, r0, #0x0001\n"          /* .... .... .... ...1 使能MMU */
    
    "mcr    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    /* 将修改的值写入控制寄存器 */
    : /* 无输出 */
    : "r" (ttb) );
}