ARM中MMU的作用

讓我們從歷史發(fā)展的角度看MMU的作用

這一部分可結(jié)合蔡于清的講解【網(wǎng)址：http://www.another-prj.com/viewthread.php?tid=28&extra=page%3D1】來看，下面的大部分內(nèi)容轉(zhuǎn)載此處，針對自己的理解做了一些擴充性說明。只是需要注意的是，在蔡于清此部分的講解中，有幾處小的錯誤，完成此部分的講解后可以進行更正。

MMU功能部件是與虛擬內(nèi)存技術(shù)（virtual memory）緊密聯(lián)系在一起的。

第一階段：最初，計算機內(nèi)存很小，而且非常昂貴，大多數(shù)都是以KB為單位的。相應的，當時程序規(guī)模很小，不復雜，所以內(nèi)存還是能夠滿足需求的。在看《Linkers andLoaders》的時候，也是從這個階段講解，不過此書的核心視角是從Linkers和Loaders的發(fā)展來看的。也就是，計算機剛剛出現(xiàn)時，還是比較簡陋的，各種復雜的技術(shù)是伴隨著人們需求的提高而出現(xiàn)的。把握住這一點，就可以從需求的角度入手探討技術(shù)，可以分析它如何滿足了這樣的需求。通過這種分析，理解上就比較簡單一些了。

第二階段：程序規(guī)模擴大，考慮到成本問題，出現(xiàn)了overlay技術(shù)，也就是內(nèi)存覆蓋策略。基本的原理就是把程序分割成許多稱為“覆蓋塊”的片斷。覆蓋塊0首先加載運行，結(jié)束時調(diào)用另一個覆蓋塊。覆蓋塊的調(diào)度是由OS來完成的，但是事先需要分割，這部分工作是程序員借助Linkers來完成的。但是畢竟枯燥，由此帶來的開銷也比較大。于是進入第三個階段。

第三階段：出現(xiàn)virtual memory。虛擬存儲器的基本思想是程序，數(shù)據(jù)，堆棧的總的大小可以超過物理存儲器的大小，操作系統(tǒng)把當前使用的部分保留在內(nèi)存中，而把其他未被使用的部分保存在磁盤上。比如對一個16MB的程序和一個內(nèi)存只有4MB的機器，OS通過選擇，可以決定各個時刻將哪4M的內(nèi)容保留在內(nèi)存中，并在需要時在內(nèi)存和磁盤間交換程序片段，這樣就可以把這個16M的程序運行在一個只具有4M內(nèi)存機器上了。而這個16M的程序在運行前不必由程序員進行分割。

伴隨著這種技術(shù)的出現(xiàn)，“virtual address，即VA”和“physical address，即PA”也就出現(xiàn)了。一般來說，CPU看到的地址是VA，VA是有地址線來決定的。比如，s3c2410是32位的SoC，那么它的尋址空間為2^32=4GB，那么VA空間也就是4GB。但是在嵌入式系統(tǒng)中，物理存儲器是不會有這么大的?，F(xiàn)在這塊s3c2410的實際內(nèi)存SDRAM也就 64MB，遠遠小于4GB。也就是說，VA是4GB，PA是64MB，PA的地址空間是VA地址空間的子集。既然PA沒有VA那么大，而且CPU只能看到 VA，那么CPU如何找到PA呢？這也正是MMU的基本作用之一，就是提供VA到PA的轉(zhuǎn)換機制，除了硬件的支持外，軟件上實際就是維護一張表，表中的內(nèi)容是VA到PA的轉(zhuǎn)換法則。由于有了MMU，那么就可以實現(xiàn)利用VA找到實際物理內(nèi)存區(qū)域。

現(xiàn)在討論為什么要實現(xiàn)VA到PA的映射。就ARM而言，系統(tǒng)上電后，CPU的PC指向0x00000000或者0xffff0000，這是由CPU的設(shè)計者決定的。在這個位置，一般安排非易失性存儲器地址空間，比如rom，flash等。但是flash等響應速度慢，這就稱為提高系統(tǒng)性能的一個瓶頸。而 sdram則具有很高的響應速度，為了提高系統(tǒng)運行速度，可以把flash中的應用程序下載到sdram中執(zhí)行，也就是一個簡單的loader的功能實現(xiàn)。這樣就出現(xiàn)一個問題，ARM響應exception時，程序指針指向固定的VA，比如，假設(shè)發(fā)生了IRQ中斷，那么PC執(zhí)行0x00000018（如果是高端啟動，則指向0xffff0018處。）但是此處仍然為非易失性存儲器，也就是說，程序的一部分仍然在flash或者rom中執(zhí)行。這時可以利用 MMU，把sdram的地址映射到0x00000000起始的一片連續(xù)地址空間，而把原來flash映射到其他不相沖突的存儲空間位置。例如，flash 的地址范圍0x00000000－0x00ffffff，sdram的地址范圍0x30000000－0x31ffffff。那么可以把sdram映射到 0x00000000－0x1fffffff（此處地址空間未被占用）。映射完成后，如果處理器異常，假設(shè)依然為IRQ中斷，pc指向 0x00000018，但是pc實際上是從物理地址0x30000018處讀取指令。通過mmu的映射，可以實現(xiàn)系統(tǒng)運行的加速。這個地方也可以說明 bootloader中常見的中斷向量表的設(shè)置，為什么有些使用b，有些使用ldr了?！綽的跳轉(zhuǎn)空間只能是+-32M，而ldr可以大的多了?！?br />
在實際的應用過程中，還可能會把兩片不連續(xù)的物理地址空間分配給sdram，而在os中，習慣上把sdram的空間連續(xù)起來，方便實現(xiàn)動態(tài)內(nèi)存管理。通過mmu可以實現(xiàn)不連續(xù)的物理地址空間映射為虛擬地址空間。

另外一個需求就是，實現(xiàn)不同的運行級別，那么一些關(guān)鍵的代碼可以設(shè)定不被普通應用程序訪問。這也是通過mmu控制訪問權(quán)限來實現(xiàn)的。

綜上三個階段所述，可見MMU的作用主要就是兩個:

· 實現(xiàn)VA到PA的映射（可以因此實現(xiàn)方便的動態(tài)內(nèi)存管理）
· 實現(xiàn)不同的訪問權(quán)限。