13-MMU和Cache

最新推荐文章于 2025-04-20 08:38:35 发布

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分类专栏： S3C2440裸机文章标签：嵌入式 c语言 stm32 mmu 缓存

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_45519751/article/details/106957297

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本文介绍了嵌入式系统中的MMU（Memory Management Unit）和Cache的工作原理，包括Cache的局部性原理、数据存取流程，以及协处理器在其中的作用。通过实例分析了如何开启ICache，并展示了通过CP15协处理器指令操作Cache的过程。同时，文章探讨了MMU的功能，如地址映射、虚拟地址到物理地址的转换，以及MMU在权限管理和大容量应用运行中的作用。最后，提供了MMU代码示例，包括页表创建和启动MMU的步骤。

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声明：
本文是本人在韦东山笔记的基础上加了一些注释，方便理解。原文地址：

第001节_Cache原理简述

我们很少会使用MMU或ICache。
cache简介（百科）：
Cache存储器，电脑中为高速缓冲存储器，是位于CPU和主存储器DRAM（Dynamic Random Access Memory）之间，规模较小，但速度很高的存储器，通常由SRAM（Static Random Access Memory 静态存储器）组成。它是位于CPU与内存间的一种容量较小但速度很高的存储器。CPU的速度远高于内存，当CPU直接从内存中存取数据时要等待一定时间周期，而Cache则可以保存CPU刚用过或循环使用的一部分数据，如果CPU需要再次使用该部分数据时可从Cache中直接调用，这样就避免了重复存取数据，减少了CPU的等待时间，因而提高了系统的效率。

我们看一下2440手册上的原理图：
在2440芯片里面除了CPU之外：
Instruction MMU ：指令MMU；
Data MMU ：数据MMU；
InstructionC ACHE(16KB) ：指令cache；
Data CACHE (16KB) ：数据cache

以上4个全都通过CP15协处理器来进行操作。

协处理器的含义作用：coprocessor协助主处理器做某些事情，比如在ARM系统中有cp0 – cp15一共16个协处理器，其中cp15负责管理mmu icache。
在这里插入图片描述
好了，上面说的比较抽象，下面写一个程序，看其反汇编，然后分析程序的运行，我们从中可以理解cache的内部机制：
我们写一个程序，0到100求和：

int sum()
{
   
	int I;
	int sum =0;
	for(i=0; I <= 100; i++)
		sum += I;
	return sum;
}

编译，查看其反汇编代码：
在这里插入图片描述
分析：

70: 	e50b3014    		str 	r3, [fp,#-20]  //这个应该就是sum 假设地址是A

78： 	e50b3010		str   r3,  [fp, #-16] //这个应该就是I 假设地址是B
					ldr   r3,   [fp, #-16] //也就是地址B中取出值
					cmp  r3, #100 //跟100比较
				//如果大于100程序跳到  a8 如果小于100则执行下面的for循环（从7c 到 a4）

指令保存在内存中，CPU根据这些执行进行操作（即保存在从内存如SDRAM中的0x30000000往上数）
而栈（即这里的sum和i）保存在内存的栈区（即内存如SDRAM的顶端内存区）

分析程序：

我们的CPU需要：
1 不断的读写地址A和B
2 不断的执行for循环里面代码
	2.1 取指令
	2.2 执行指令

问：SDRAM非常慢，那么怎么提高程序执行效率？
为了回答这个问题，我们先引入一个感念，程序局部性原理：

时间局部性:在同一段时间里，有 极大的概率 访问同一地址的指令或数据
(在这个for循环中同一个地址指令经常被访问到)

空间局部性: 有 极大概率 访问到相邻空间的指令/数据

所以说，既然我们的SDRAM访问起来比较慢，那么我们能不能在CPU上开一个高速缓存，把这些指令放进高速缓存icache。当然是可行的。原理如下图：
也就是说我们把数据和指令暂时存储在cache存储器上。
cache存储器分为Instruction CACHE（指令cache）、Data CACHE （数据cache），通过CP15协处理器进行控制。
在这里插入图片描述
指令cache只有16KB，数据cache也只有16KB ，而我们的SDRAM有64MB空间，显然不可能存储SDRAM中所有的内容，它只能存储一部分。cache的示意图：

看上面这个图，我们对程序运行进行分析：

以数据读为例

1 程序要读地址A的数据
ldr r0, [A的数据]
a. cpu以地址A去cache上查找A的数据，一开始cache上无数据，导致cache miss（即失败）。
b. 然后cpu就会把地址A发到SDRAM，取读数据，
	但是这时候会读入cache line读到cache存储器，（cache line即地址A附近的一篇内存区，叫做
	cache line: 8word 32byte，称为cache file ）
	然后把地址A上的数据返回给CPU 。
2 程序如果再次读取地址A的数据的话：
	cpu以地址A查找cache,cache hit有数据则直接从cache返回数据给CPU。

3 程序要读地址B的数据，CPU也是以地址B查找数据，cache hit直接返回

4 假如，cache满了（假设经过刚刚的cache line读到cache之后，cache满了），
	而假如这时候我们有一个变量C，这个变量C在存储位置离变量A、B比较远（也就是说变量C不在刚刚的那个cache
	 line里，即并不在cache里）
	这时，CPU去访问变量C的地址，怎么办？答：
	 4.1 cache替换：老的数据从cache中弄出 
	 4.2 填充新数据