“老司機(jī)”這樣解讀ARM MMU的地址轉(zhuǎn)換

首先搞清楚為什么要使用MMU?

MMU即內(nèi)存管理單元，直白一點(diǎn)的講，就像食堂的餐具，所有的學(xué)生一起吃飯時(shí)不夠用，但食堂又不想再出資購買新的餐具(原因很明顯：一方面要成本，另一方面又占地方。這就像增加內(nèi)存一樣，那么有沒有解決辦法?

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)得知不可能全學(xué)校的學(xué)習(xí)一起都到食堂吃飯，于是食堂就找?guī)讉€(gè)人負(fù)責(zé)餐具的管理(相當(dāng)于MMU)，他們一方面發(fā)放餐具，保證來的同學(xué)有餐具可用，另一方面又回收用完的餐具(這就相當(dāng)于虛擬地址到物理地址之間建立了一個(gè)映射一樣，內(nèi)存還是那么多，但從任意單個(gè)程序角度都好像用不完一樣)。當(dāng)然如果有同學(xué)一個(gè)人拿好幾套餐具肯定不允許的(這就相當(dāng)于內(nèi)存的權(quán)限檢查)。

MMU在地址轉(zhuǎn)換過程中涉及到三種地址：(VA---Virtual Address，虛擬地址)---這個(gè)就相當(dāng)于餐具存放的地方(大家都可以領(lǐng)到餐具)。CPU核心看到和用到的只是虛擬地址VA，至于VA如果去對(duì)應(yīng)物理地址PA，CPU核心不理會(huì)，大家也不會(huì)去關(guān)心總共有多少餐具吧;(MVA---Modified Virtual Address，變換后的虛擬地址)---這個(gè)相當(dāng)于放假的時(shí)候，人很少，只發(fā)餐具好了，用過的就不先回收了，節(jié)省人員了。Caches和MMU看不到VA，他們利用MVA轉(zhuǎn)換得到PA，放假了回收餐具的人也不需要一直尋找用完的餐具;(PA---Physical Address,物理地址)---實(shí)際的餐具量，就那些。實(shí)際設(shè)備看不到VA、MVA，讀寫它們使用的是物理地址PA，同學(xué)們就餐一般會(huì)領(lǐng)到餐具。

2.虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過程。ARM使用頁表來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，一般開發(fā)板最多會(huì)用到兩級(jí)頁表，以段(Section，1M)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)只用到一級(jí)頁表，以頁(Page)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)用到兩級(jí)頁表。頁的大小有3種：大頁(64KB)、小頁(4KB)和極小頁(1KB)。本文只是以段地址轉(zhuǎn)換過程為例來講解一下，頁的轉(zhuǎn)換大同小異。

首先有個(gè)頁表基址寄存器(位置為協(xié)處理器CP15的寄存器C2)，它里面寫入的就是一級(jí)頁表的地址，通過讀取它就可以找到一級(jí)頁表存放的起始位置。一級(jí)頁表的地址是16K對(duì)齊(所以[13:0]為0，使用[31:14]存儲(chǔ)頁表基址)。一級(jí)頁表使用4096個(gè)描述符來表示4GB空間，所以每個(gè)描述符對(duì)應(yīng)1MB的虛擬地址，存儲(chǔ)它對(duì)應(yīng)的1MB物理空間的起始地址，或者存儲(chǔ)下一級(jí)頁表的地址。使用MVA[31:20]來索引一級(jí)頁表(31-20一共12位，2^12=4096，所以是4096個(gè)描述符)，得到一個(gè)描述符，每個(gè)描述符占4個(gè)字節(jié)。

描述符最后兩位為0B10時(shí)，即是段的方式映射。[31:20]為段基址，此描述符低20位填充0后就是一塊1MB物理地址空間的起始地址。MVA[19:0]用來在這1MB空間中尋址。描述符的位[31:20]和MVA[19:0]構(gòu)成了這個(gè)虛擬地址MVA對(duì)應(yīng)的物理地址。以段的方式進(jìn)行映射時(shí)，虛擬地址MVA到物理地址PA的轉(zhuǎn)換過程如下：

①頁表基址寄存器位[31:14]和MVA[31:20]組成一個(gè)低兩位為0的32位地址，MMU利用這個(gè)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]組成一個(gè)32位的物理地址(這就是MVA對(duì)應(yīng)的PA)。