ARM中MMU之地址轉(zhuǎn)換

首先我來說一下MMU的作用，MMU就是負(fù)責(zé)虛擬地址（virtual address）轉(zhuǎn)化成物理地址（physical address）。

下面我來說一下ARM CPU上的地址轉(zhuǎn)換過程涉及三個(gè)概念：虛擬地址（VA）（CPU內(nèi)核對外發(fā)出VA），變換后的虛擬地址（MVA）（VA被轉(zhuǎn)換為MVA供cache和MMU使用，在此將MVA轉(zhuǎn)換為PA），物理地址（PA）（最后使用PA讀寫實(shí)際設(shè)備）。

(1)CPU看到的用到的只是VA，CPU不管VA最終是怎樣到PA的；

(2)而cache、MMU也是看不到VA的，它們使用的是MVA（VA到MVA的轉(zhuǎn)換是由硬件自動(dòng)完成的）；

(3)實(shí)際設(shè)備看不到VA、MVA，讀寫設(shè)備使用的是PA物理地址。

前期的鋪墊基本完成，接下來進(jìn)入重點(diǎn)。

在此過程中要用到以下兩個(gè)必備的東西：

1、cp15協(xié)處理器的c2寄存器(這個(gè)里面的東西需要程序員自己裝載)

2、虛擬地址MVA。

接下來我說以下mmu對虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)化過程。

1、無論進(jìn)行那種有效轉(zhuǎn)換都必須進(jìn)行一級(jí)頁表的轉(zhuǎn)換，所以我們先去產(chǎn)生一級(jí)頁表。產(chǎn)生一級(jí)頁表經(jīng)過以下步驟

a) 由協(xié)處理器CP15中的寄存器C2（高18位，即[31：14]為轉(zhuǎn)換表基地址，低14位為0）為一級(jí)轉(zhuǎn)換表基地址，即TTB該地址指向了一個(gè)2^14=16KB大小的存儲(chǔ)區(qū)，即一級(jí)轉(zhuǎn)換表。

b) 將MVA的高12位，即位[31:20]作為一級(jí)轉(zhuǎn)換表的地址索引，因此一級(jí)轉(zhuǎn)換表具有2^12=4096項(xiàng)，這4096項(xiàng)的地址為32位，最高的18位[31：14]為寄存器C2的高18位，中間12位為MVA的高12位[31:20]，最低2位為0b00。這4096項(xiàng)中的內(nèi)容稱為一級(jí)描述符。至此一級(jí)頁表產(chǎn)生完畢。

2、mmu拿到一級(jí)描述符首先看它的后兩位也就是bits[1:0]，根據(jù)這兩位的取值mmu會(huì)進(jìn)入不同的轉(zhuǎn)換模式，這兩位會(huì)出現(xiàn)下面四種取值。其中這四種取值分別對應(yīng)四種模式，下面我一一解釋。

a) 00 無效不進(jìn)行轉(zhuǎn)換

b) 01 進(jìn)行粗頁式轉(zhuǎn)換

c) 10 進(jìn)行段式轉(zhuǎn)換

d) 11 進(jìn)行細(xì)頁式轉(zhuǎn)換

3、接下來對于不同的轉(zhuǎn)換模式，就要進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)換。我下面將對三種轉(zhuǎn)換模式進(jìn)行一一分析。

a) 0b10（段式轉(zhuǎn)換），把段式轉(zhuǎn)換放在第一個(gè)說的原因是在ARM中大量用到了段式和細(xì)頁式轉(zhuǎn)換。

段式轉(zhuǎn)換是最簡單的一種轉(zhuǎn)換方式，它是將我們剛才產(chǎn)生的一級(jí)描述符（即4096項(xiàng)中的內(nèi)容）的高12位作為段的基地址，用MVA的低20位作為每個(gè)段的偏移量，由此我們可以輕松的推出每個(gè)段的大小為2^20=1MB，至此我們就得到了一個(gè)物理地址PA。

b) 0b11（細(xì)頁式轉(zhuǎn)換）

細(xì)頁式轉(zhuǎn)換，它是將我們剛才產(chǎn)生的一級(jí)描述符的高20位bits[31:12]，再加上MVA的bits[19:10]（第二級(jí)表索引）合體，bits[1:0]補(bǔ)0，獲取第二級(jí)描述符的地址，至此其一級(jí)轉(zhuǎn)換結(jié)束，因?yàn)槠涠?jí)轉(zhuǎn)換方式和粗頁式的二級(jí)轉(zhuǎn)換方式相同所以我下面一塊分析。

c) 0b01（粗頁式轉(zhuǎn)換）

粗頁式轉(zhuǎn)換，它是將我們剛才產(chǎn)生的一級(jí)描述符的高22位bits[31:10]，再加上MVA的bits[19:12]（第二級(jí)表索引）合體，最后兩位補(bǔ)0，獲取第二級(jí)描述符的地址（32位），至此其一級(jí)轉(zhuǎn)換結(jié)束。

4、下面我們將進(jìn)入二級(jí)轉(zhuǎn)換，對于二級(jí)轉(zhuǎn)換只針對細(xì)頁式和粗頁式，沒有段式轉(zhuǎn)換。

a) 經(jīng)過一級(jí)轉(zhuǎn)換我們得到了二級(jí)描述符的地址，我們通過此地址可以得到二級(jí)描述符，我們根據(jù)二級(jí)描述符的低兩位bits[1:0]同樣可以分為四種轉(zhuǎn)換模式：

i. 00 無效不進(jìn)行轉(zhuǎn)換

ii. 01 大頁描述符

iii. 10 小頁描述符

iv. 11 極小頁描述符

b) 接下來我將對各個(gè)模式進(jìn)行分析。

i. 01（大頁描述符）

此時(shí)我們?nèi)〕龆?jí)描述符中的bits[31:16]——大頁基址，它和MVA的bits[15:0]組成一個(gè)32位的物理地址，這就是MVA對應(yīng)的PA。

ii. 10（小頁描述符）

此時(shí)我們?nèi)〕龆?jí)描述符中的bits[31:12]與MVA的bits[11:0]組成一個(gè)32位的地址，這就是MVA對應(yīng)的PA。

iii. 11（極小頁描述符）

此時(shí)我們?nèi)〕龆?jí)描述符中的bits[31:10]與MVA的bits[9:0]組成一個(gè)32位的地址，這就是MVA對應(yīng)的PA。

以上就是MMU對虛擬地址轉(zhuǎn)換到物理地址的過程，本人第一次寫學(xué)習(xí)筆記，還有很多不足之處還請各位前輩指教，謝謝各位。