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内存管理单元MMU 1 主 要 的 功 能 1 管理虚拟存储器 物理存储器的控制线路 2 负责虚拟地址映射为物理地址 3 提供硬件机制的内存访问授权 地址范围 由CPU的位数决定 例如一个32位的CPU 它的地址范围是0 0 xFFFFFFFF 4G 1 相关概念 分页机制 虚拟地址空间划分成称为页 page 的单位 而相应的物理地址空间也被进行划分 单位是页帧 frame 页和页帧的大小必须相同 TLB和地址转换表 2 相关概念 1 TLB translationlookasidebuffer 转换遍历缓存 TLB是MMU的核心部件 它存储少量的虚拟地址与物理地址的转换关系 它其实是物理内存区的一小段内存 TLB是位于内存中的页表的cache 如果没有TLB 则每次取数据都需要两次访问内存 即查页表获得物理地址和取数据 2 地址转换表 当TLB中没有缓冲对应的地址转换关系时 需要查找这个地址转换表 找到虚拟地址与物理地址的对应关系 在大多数处理器中 这个转换表为多级页表 比如386里面的页目录表和页表 将线性地址映射为物理地址 2 功能说明 现代的多用户多进程操作系统 需要MMU 才能达到每个用户进程都拥有自己独立的地址空间的目标 使用MMU 操作系统划分出一段地址区域 在这块地址区域中 每个进程看到的内容都不一定一样 例如WINDOWS操作系统将地址范围4M 2G划分为用户地址空间 进程A在地址0X400000 4M 映射了可执行文件 进程B同样在地址0X400000 4M 映射了可执行文件 如果A进程读地址0X400000 读到的是A的可执行文件映射到RAM的内容 而进程B读取地址0X400000时 则读到的是B的可执行文件映射到RAM的内容 将线性地址映射为物理地址 2 功能说明 CP15寄存器介绍 与MMU有关的寄存器 CP15的C8寄存器用来控制清除TLB的内容 是只写寄存器 读操作将产生不可预知的后果 CP15的C10寄存器用于控制TLB内容锁定 如果系统中包含独立的指令TLB和数据TLB 那么对应于数据TLB和指令TLB分别有一个独立的TLB内容锁定寄存器 用来选择其中的某个寄存器 CP15寄存器介绍 与MMU有关的寄存器 ARMMMU硬件采用2级页表结构 一级页表 L1 和二级页表 L2 3 MMU的页表 一级页表支持4种类型的页表项 由bit 1 0 决定 1 1MB段转换项 指向一个1MB的存储段 2 指向L2细页表的目录项 包含一个L2细页表首地址的指针 同时包含L1表项代表的1MB虚存段的域信息 细页表必须与4KB的倍数地址对齐 3 指向L2粗页表的目录项 粗页表必须与1KB的倍数地址对齐 4 产生中止异常的错误项一级页表两大类 1 指向第一级页表 L2页表 的基地址2 直接指向1MB的物理内存L1主页表既可作为L2页表的页目录 也可作为用于转换1MB虚拟页 称为一段 的普通页表L1页表中每个表项可以覆盖1MB的内存 由于有4096K个选项 item 所以总计可以覆盖4096K 1MB 4GB的内存空间 3 MMU的页表 L1每种页表的结构 ARMMMU硬件采用2级页表结构 一级页表 L1 和二级页表 L2 3 MMU的页表 二级页表有4种类型的页表项 由bit 1 0 决定 1 定义64KB页帧属性的大 large 页表项 包含一个64KB物理存储块的基地址 同时还包含4组权限位域 以及页的cache和写缓冲器属性 每一组访问权限位域代表虚存页的1 4 这些页表项可以看成是16KB子页 以更好的控制64KB页的访问权限 2 定义4KB页帧属性的小 small 页表项 3 定义1KB页帧属性的微 tiny 页表项 4 访问时产生页错中止异常的错误页表项 注意区别大页 小页 微页和粗页表 细页表 一个L2粗页表有256 1MB 4KB 个页表项 占用1KB的主存空间 每个页表项将一个4KB的虚拟存储块转换成一个4KB的物理存储块 粗页表支持4KB或64KB的页 页表项包含的是4KB或64KB的页帧的首地址 如果转换的是一个64KB的页 对于每个64KB的页 同一个页表必须在页表中重复16次 一个L2细页表有1024 1MB 1KB 个页表项 占用4KB的主存空间 每个页表项将一个1KB的虚拟存储块转换成一个4KB的物理存储块 细页表支持1KB 4KB或64KB的页 页表项包含的是1KB 4KB或64KB的页帧的首地址 3 MMU的页表 L2每种页表的结构 页表 存在内存中的地址转换表 页表由一个个条目 描述符 组成条目 每个条目存储了一段虚拟地址对应的物理地址及其访问权限 或者下一级页表地页号 从页表基址开始 每页的索引号页内偏移 某一页的内部偏移地址条目也称为 描述符 Descriptor 段描述符 大页描述符 小页描述符 极小页描述符 它们保存段 大页 小页或极小页的起始物地址 粗页表描述符 细页表描述符 他们保存二级页表的物理地址转换过程如下 1 根据给定的虚拟地址找到一级页表中的条目 2 如果此条目是段描述符 则返回物理地址 转换结束 3 如果此条目是二级页表描述符 继续利用虚拟地址在二级页表中找到下一个条目 4 如果这第二个条目是页描述符 则返回物理地址 转换结束 5 其他情况出错 5 转换过程 5 转换过程 3 转换过程 单步搜索 当L1页表用于转换一个1MB的段时 搜索1MB的页 其页表项 PTE 包含的就是物理存储器中1MB页帧 pageframe 的首地址 3 转换过程 两步搜索 搜索大小为1KB 4KB 16KB 64KB的页 一级页表存放的是二级页表的目录 二级页表才是存放转换表的 L1页表作为页目录时 其页表项 PTE 包含的就是1MB虚拟空间的L2粗 coarse 页表或L2细 fine 页表的指针 3 转换过程 只有一级页表的情况 第一个MVA第二个是页表基址寄存器 c2 3 转换过程 保存在粗页表中的大页地址转换过程 3 转换过程 保存在粗页表中的小页地址转换过程 3 转换过程 保存在粗页表中的极小页地址转换过程 地址转换失败时产生的异常和处理 4 MMU异常处理 1 TLB异常 如果试图访问没有在MMU的TLB中映射的内存地址 会触发这个异常 在支持虚拟内存的操作系统中 这一般会触发内存的页面倒换 系统的ExceptionHandler会将所需要的内存页从虚拟内存中调入物理内存 并更新相应的TLB表项 2 地址对齐异常 如果试图访问一个非对齐的地址 例如lw sw指令的地址非4字节对齐 或lh sh的地址非2字节对齐 就会触发这个异常 一般地 操作系统在ExceptionHandler中对这个异常的处理 是分两次读取 写入这个地址 虽然一般的操作系统内核都处理了这个异常 最后能够完成期待的操作 但是由于会引起用户态到内核态的切换 以及异常的退出 当这样非对齐操作较多时会