嵌入式系统原理及应用开发

第3章ARM体系结构3.4ARM内存管理单元ARMMMU概述

ARMMMU的功能ARMMMU的操作ARMMMU的地址转换ARMMMU概述MMU是内存管理单元（MemoryManagementUnit）的缩写。MMU在处理器中实现内存管理的功能，完成物理地址到虚拟地址的映射。MMU本身有少量存储空间存放从虚拟地址到物理地址的匹配表。此表称作TLB(转换旁置缓冲区)。所有数据请求都送往MMU，由MMU决定数据是在RAM内还是在大容量存储器设备内。如果数据不在存储空间内，MMU将产生页面错误中断。在通常情况下，MMU的两个主要功能是:1.将虚地址转换成物理地址

2.控制内存的访问权限

MMU关闭时，虚地址直接输出到物理地址总线。ARMMMU的功能CP15的主要管理和配置功能如下； 页表

TLB（转换旁路缓冲器） 域和访问权限

Cache和写缓冲器 快速上下文切换ARMMMU的功能CP15协处理器的功能模块：功能使用寄存器全局控制寄存器0、1MMU寄存器2、3、4、5、6、8，10以及寄存器1中的部分MPU寄存器2、3、5、6以及寄存器1中的部分Cache和WriteBuffer寄存器7、9FSCE寄存器13测试和时钟控制寄存器15保留寄存器11、12、14ARMMMU的操作MMU的功能相关的CP15中寄存器的描述寄存器主要操作R1使能/禁止MMU、cache、写缓冲R2设置变换表基地址（16k对齐）R3设置16个域的访问权限R8操作TLB功能（无效统一TLB、无效指令或数据TLB）当MMU被禁止的时候存储器按如下处理：根据具体的情况决定是否允许Cache和写缓冲没有存储区访问的权限，MMU也不会产生异常信号物理地址的虚拟地址相同，即平板（flataddressmapping）地址映射模式ARMMMU的操作R1控制寄存器（类型：ARMv3：只写，ARMv4：读写）M(位[0])：允许MMUA(位[1])：允许定位故障检测C(位[2])：允许数据Cache或者统一CacheW(位[3])：允许写缓冲P(位[4])：从26-32位异常处理D(位[5])：从26-32位地址区域L(位[6])：至上一次中止区域B(位[7])：从小端到大端S(位[8])：修改MMU系统ARMMMU的操作R(位[9])：ROM保护状态F(位[10])：控制外协处理器通信速度Z(位[11])：允许分支预测I(位[12])：允许指令CacheV(位[13])：向量地址

(从0x00000000-0x0000001C到0xFFFF0000-0xFFFF001C)RR(位[14])：控制Cache置换算法L4(位[15])：对于ARMv5以后版本，控制向后兼容位[31:16]：保留注意：对于MMU，其实只和CP15的寄存器的0、1、8、9位有关ARMMMU的操作 R2地址变换表基址寄存器（类型：ARMv3：只写，ARMv4：读写）位[31:14]：变换表基地址，定位界限为16KBARMMMU的操作 R3域访问控制寄存器：（类型：ARMv3：只写，ARMv4：读写）数据的含义如下：00不允许访问，任何访问将产生域错误01客户（Client）使用域，根据段和页描述符的访问权限检验10保留11管理（Manager）使用域，不检查访问许可位，任何都不会产生域错误ARMMMU的操作 R6故障地址寄存器：（类型：ARMv3：只读，ARMv4：读写）上一次数据存取中止的地址ARMMMU的操作R5故障状态寄存器：（类型：ARMv3：只读，ARMv4：读写）Bit[8]：0Bits[7:4]：当错误发生时，确定16个域中(D15–D0)哪个被访问。Bits[3:0]：指出试图访问的类型ARMMMU的操作功能如下所示：无效指令TLB

无效指令单一入口无效整个数据TLB

无效数据单一入口功能opcode2CRmData指令无效所有TLB01110MCRp15,0,Rd,c8,c7,0无效单一入口1111虚拟地址MCRp15,0,Rd,c8,c7,1无效整个指令TLB01010MCRp15,0,Rd,c8,c5,0无效指令单一入口1101虚拟地址MCRp15,0,Rd,c8,c5,1无效整个数据TLB01100MCRp15,0,Rd,c8,c6,0无效数据单一入口1110虚拟地址MCRp15,0,Rd,c8,c6,1

R8TLB功能寄存器（类型：只写）：用来执行TLB的操作ARMMMU的操作R10TLB锁住寄存器：（类型：读写）TLB锁定是一些ARM存储器系统的特性，它允许把特定的转换表搜索结果装载到TLB中。这种方式能否被后来的结果覆盖由寄存器R10决定。如果TLB为分离的，该寄存器有2个通过<opcode2>来区分MCR或者MRC对该寄存器的访问。<opcode2>==0选择数据TLB锁定寄存器<opcode2>==1选择指令TLB锁定寄存器例如：

mcrp15,0,r0,c10,c0,0;数据寄存器

mcrp15,0,r0,c10,c0,1;指令寄存器如果TLB为统一的，寄存器只有1个存在，<opcode2>必须为0。例如：

mcrp15,0,r0,c10,c0,0;统一寄存器辅助寄存器必须为c0ARMMMU的操作ARMMMU的地址转换

在存储器的管理中，地址转换的含义是从逻辑地址转换成物理地址。在MMU开启之后，处理器内核所处理的都是逻辑地址，当处理器内核要访问一个逻辑地址的时候，MMU负责将这个逻辑地址转换成相应的物理地址，完成实际地址的访问。ARM的MMU支持如下的段和页:

段(sections)，由1MB的块组成 大页(largepages)，由64KB的块组成 小页(smallpages)，由4KB的块组成 微小页(tinypges)，由1KB的块组成页表类型页表单位数页表占用内存支持页的单位一级页表409616k1M粗页表(corasepage)2561k4k或者64k细页表(finepage)10244k1k、4k或者64kARMMMU的地址转换ARMMMU的地址转换第一级描述符ARMMMU的地址转换标志位含义类型[1:0]段、粗页或者细页B[2]写缓冲使能C[3]Cache使能域domain[8:5]16个域中的哪一个，根据CP15的R3AP（仅段描述符）[11:10]存取权限段基地址[31:20]1M对齐粗页基地址[31:10]1K对齐细页基地址[31:12]4K对齐ARMMMU的地址转换MMU二级描述符含义ARMMMU的地址转换段方式ARMMMU的地址转换二级页方式ARMMMU的地址转换二级页方式ARMMMU的地址转换存储权限ARMMMU的地址转换AP（Accesspermissions，访问权限），访问权限需要结合CP15寄存器