ARM內(nèi)存管理MMU詳解

一 內(nèi)存管理單元（ MMU ）概述
在 ARM 存儲(chǔ)系統(tǒng)中，使用 MMU 實(shí)現(xiàn)虛擬地址到實(shí)際物理地址的映射。為何要實(shí)現(xiàn)這種映射？首先就要從一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的基本構(gòu)成和運(yùn)行方式著手。系統(tǒng)上電時(shí)，處理器的程序指針從 0x0 （或者是由 0Xffff_0000 處高端啟動(dòng)）處啟動(dòng)，順序執(zhí)行程序，在程序指針（ PC ）啟動(dòng)地址，屬于非易失性存儲(chǔ)器空間范圍，如 ROM 、 FLASH 等。然而與上百兆的嵌入式處理器相比， FLASH 、 ROM 等存儲(chǔ)器響應(yīng)速度慢，已成為提高系統(tǒng)性能的一個(gè)瓶頸。而 SDRAM 具有很高的響應(yīng)速度，為何不使用 SDRAM 來執(zhí)行程序呢？為了提高系統(tǒng)整體速度，可以這樣設(shè)想，利用 FLASH 、 ROM 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，把真正的應(yīng)用程序下載到 SDRAM 中運(yùn)行，這樣就可以提高系統(tǒng)的性能。然而這種想法又遇到了另外一個(gè)問題，當(dāng) ARM 處理器響應(yīng)異常事件時(shí)，程序指針將要跳轉(zhuǎn)到一個(gè)確定的位置，假設(shè)發(fā)生了 IRQ 中斷， PC 將指向 0x18( 如果為高端啟動(dòng)，則相應(yīng)指向 0vxffff_0018 處 ) ，而此時(shí) 0x18 處仍為非易失性存儲(chǔ)器所占據(jù)的位置，則程序的執(zhí)行還是有一部分要在 FLASH 或者 ROM 中來執(zhí)行的。那么我們可不可以使程序完全都 SDRAM 中運(yùn)行那？答案是肯定的，這就引入了 MMU ，利用 MMU ，可把 SDRAM 的地址完全映射到 0x0 起始的一片連續(xù)地址空間，而把原來占據(jù)這片空間的 FLASH 或者 ROM 映射到其它不相沖突的存儲(chǔ)空間位置。例如， FLASH 的地址從 0x0000_0000 － 0x00ff_ffff, 而 SDRAM 的地址范圍是 0x3000_0000 － 0x31ff_ffff ，則可把 SDRAM 地址映射為 0x0000_0000 － 0x1fff_ffff 而 FLASH 的地址可以映射到 0x9000_0000 － 0x90ff_ffff （此處地址空間為空閑，未被占用）。映射完成后，如果處理器發(fā)生異常，假設(shè)依然為 IRQ 中斷， PC 指針指向 0x18 處的地址，而這個(gè)時(shí)候 PC 實(shí)際上是從位于物理地址的 0x3000_0018 處讀取指令。通過 MMU 的映射，則可實(shí)現(xiàn)程序完全運(yùn)行在 SDRAM 之中。

在實(shí)際的應(yīng)用中，可能會(huì)把兩片不連續(xù)的物理地址空間分配給 SDRAM 。而在操作系統(tǒng)中，習(xí)慣于把 SDRAM 的空間連續(xù)起來，方便內(nèi)存管理，且應(yīng)用程序申請(qǐng)大塊的內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)內(nèi)核也可方便地分配。通過 MMU 可實(shí)現(xiàn)不連續(xù)的物理地址空間映射為連續(xù)的虛擬地址空間。

操作系統(tǒng)內(nèi)核或者一些比較關(guān)鍵的代碼，一般是不希望被用戶應(yīng)用程序所訪問的。通過 MMU 可以控制地址空間的訪問權(quán)限，從而保護(hù)這些代碼不被破壞。

二 MMU 地址映射的實(shí)現(xiàn)
MMU 的實(shí)現(xiàn)過程，實(shí)際上就是一個(gè)查表映射的過程。建立頁表（ translate table ）是實(shí)現(xiàn) MMU 功能不可缺少的一步。頁表是位于系統(tǒng)的內(nèi)存中，頁表的每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于一個(gè)虛擬地址到物理地址的映射。每一項(xiàng)的長(zhǎng)度即是一個(gè)字的長(zhǎng)度（在 ARM 中，一個(gè)字的長(zhǎng)度被定義為 4 字節(jié)）。頁表項(xiàng)除完成虛擬地址到物理地址的映射功能之外，還定義了訪問權(quán)限和緩沖特性等。

1 、映射存儲(chǔ)塊的分類　
MMU 支持基于節(jié)或頁的存儲(chǔ)器訪問， MMU 可以用下面四種大小進(jìn)行映射：

節(jié) （ Section ） 構(gòu)成 1MB 的存儲(chǔ)器塊
支持 3 中不同的頁尺寸：

微頁 （ Tiny page ） 構(gòu)成 1KB 的存儲(chǔ)器塊
小頁 （ Small page ） 構(gòu)成 4KB 的存儲(chǔ)器塊
大頁 （ Large page ） 構(gòu)成 64KB 的存儲(chǔ)器塊
其中對(duì)于節(jié)映射使用一級(jí)轉(zhuǎn)換表就可以了，而對(duì)于微頁、小頁、大頁則需要使用兩級(jí)轉(zhuǎn)換表。

存在主存儲(chǔ)器內(nèi)的轉(zhuǎn)換表有兩個(gè)級(jí)別：

2 、第一級(jí)轉(zhuǎn)換表
（注：本文中的頁表與轉(zhuǎn)換表同義）

存儲(chǔ)節(jié)轉(zhuǎn)換表和指向第二級(jí)表的指針。

注： 上圖中粗糙頁表欄中的最后一項(xiàng)應(yīng)為‘01 ’

第一級(jí)表的每個(gè)入口是一個(gè)描述它所關(guān)聯(lián)的 1MB 虛擬地址是如何映射的描述符。見表 3-1 ，根據(jù) bits[1:0] 的組合，有四種可能：

· 如果 bits[1:0]==0b00 ，所關(guān)聯(lián)的地址沒有被映射，試圖訪問他們將產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)換錯(cuò)（ fault ）。因?yàn)樗麄儽挥布雎裕攒浖梢岳眠@樣的描述符的 bits[31:2] 做自己的用途。推薦為描述符繼續(xù)保持正確的訪問權(quán)限。

· 如果 bits[1:0]==0b10 ，這個(gè)入口是它所關(guān)聯(lián)地址的節(jié)描述符。見節(jié)描述符和轉(zhuǎn)換節(jié)參考中的細(xì)節(jié)。

· 如果 bits[0]==1 ，這個(gè)入口給出粗糙第二級(jí)表（ bit[1]==0 ），或精細(xì)第二級(jí)表（ bit[1]==1 ）。

每一種類型的表描述了它所關(guān)聯(lián)的 1MB 存儲(chǔ)區(qū)域的映射。粗糙第二級(jí)表較小，每個(gè)表 1KB ，每個(gè)精細(xì)第二級(jí)表 4KB 。然而粗糙第二級(jí)表只能映射大頁和小頁，精細(xì)第二級(jí)表可以映射大頁、小頁和微頁。

節(jié)描述符和轉(zhuǎn)換節(jié)參考
l 如果第一級(jí)描述符是節(jié)描述符，那么各個(gè)字段有如下的意義：

Bits[1:0] 描述符類型標(biāo)識(shí)（ 0b10 表示節(jié)描述符）

Bits[3:2] 高速緩存和緩沖位

Bits[4] 由具體實(shí)現(xiàn)定義

Bits[8:5] 這個(gè)描述符控制的節(jié)的 16 種域之一

Bits[9] 現(xiàn)在沒有使用，應(yīng)該為零

Bits[11:10] 訪問控制，見表 3-3

Bits[19:12] 現(xiàn)在沒有使用，應(yīng)該為零

Bits[31:20] 節(jié)基址，形成物理地址的高 12 位

l 如果第一級(jí)描述符是粗糙頁表描述符，那么各個(gè)字段有如下的意義：

Bits[1:0] 描述符類型標(biāo)識(shí)（ 0b01 表示粗糙頁表描述符）

Bits[4:2] 由具體實(shí)現(xiàn)定義

Bits[8:5] 這個(gè)描述符控制的頁的 16 種域之一

Bits[9] 現(xiàn)在沒有使用，應(yīng)該為零

Bits[31:10] 頁表基地址是一個(gè)指向第二極粗糙頁表的指針，

l 如果第一級(jí)描述符是精細(xì)頁表描述符，那么各個(gè)字段有如下的意義：

Bits[1:0] 描述符類型標(biāo)識(shí)（ 0b11 表示精細(xì)頁表描述符）

Bits[4:2] 由具體實(shí)現(xiàn)定義

Bits[8:5] 這個(gè)描述符控制的頁的 16 種域之一

Bits[11:9] 現(xiàn)在沒有使用，應(yīng)該為零

Bits[31:10] 頁表基地址是一個(gè)指向第二級(jí)精細(xì)頁表的指針，它給出第二級(jí)表

訪問的基地址。而第二級(jí)精細(xì)頁表必須在 4KB 邊界對(duì)齊。

3 、第二級(jí)轉(zhuǎn)換表 存儲(chǔ)大頁和小頁的轉(zhuǎn)換表。一種類型的第二級(jí)表存儲(chǔ)微頁轉(zhuǎn)換表。

每個(gè)粗糙第二級(jí)表對(duì)映著以4KB 為單位的虛擬地址范圍市怎么映射的，每個(gè)精細(xì)第二級(jí)表對(duì)映著以1KB 為單位的虛擬地址范圍市怎么映射的。那些入口是頁描述符，他們能夠分別描述大于4KB 或1KB 的頁。在這種情況下，這個(gè)描述符必須被重復(fù)足夠次，以保證這個(gè)頁始終使用相同的描述符，不論訪問這個(gè)頁中的哪個(gè)虛擬地址。對(duì)于一個(gè)第二級(jí)描述符，有四種可能，由描述符的bits[1:0] 選擇。見表3-2 ：

· ? 如果bits[1:0]==0b00 ，說關(guān)聯(lián)的虛擬地址沒有被映射，任何對(duì)這些虛擬地

址的訪問將會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換錯(cuò)(fault) 。軟件可以利用這樣的描述符的bits[31:2] 做自己的用途，因?yàn)樗麄儽挥布雎?。推薦為描述符繼續(xù)保持正確的訪問權(quán)限。

· ? 如果bits[1:0]==0b01 ，這個(gè)入口是大頁描述符，描述64KB 的虛擬地址。

見轉(zhuǎn)換大頁參考。一個(gè)大頁描述符在精細(xì)第二級(jí)表中必須被重復(fù)64 次，在粗

糙第二級(jí)表中必須被重復(fù)16 次以保證所有的虛擬地址都被描述。

· ? 如果bits[1:0]== 0b10 ，這個(gè)入口是小頁描述符，描述4KB 的虛擬地址。

見轉(zhuǎn)換小頁參考。一個(gè)小頁描述符在精細(xì)第二級(jí)表中必須被重復(fù)4 次，以保

證所有的虛擬地址都被描述。在粗糙第二級(jí)表中只有一個(gè)實(shí)例。

· ? 如果bits[1:0]== 0b11 ，這個(gè)入口是微頁描述符，描述1KB 的虛擬地址。

見轉(zhuǎn)換微頁參考。在精細(xì)第二級(jí)表中只需要一個(gè)微頁描述符的實(shí)例。微頁描

述符不能在粗糙第二級(jí)表中出現(xiàn)，如果出現(xiàn)了，結(jié)果不可預(yù)測(cè)。

大頁描述符字段
大頁描述符的字段有如下意義：

bits[1:0] 表示描述符的類型

bits[3:2] 高速緩促和緩沖位

bits[11:4] 訪問權(quán)限位。這些為控制對(duì)頁的訪問。關(guān)于這些位的解釋見表3-3 。

大頁被分成4 各子頁。

AP0 編碼對(duì)第一個(gè)子頁的訪問權(quán)限。

AP1 編碼對(duì)第二個(gè)子頁的訪問權(quán)限。

AP2 編碼對(duì)第三個(gè)子頁的訪問權(quán)限。

AP3 編碼對(duì)第四個(gè)子頁的訪問權(quán)限。

bits[15:12] 現(xiàn)在沒有使用，應(yīng)該為零。

bits[31:16] 用來形成物理地址的對(duì)應(yīng)位。

?

小頁描述符字段
小頁描述符的字段有如下意義：

bits[1:0] 表示描述符的類型

bits[3:2] 高速緩促和緩沖位

bits[11:4] 訪問權(quán)限位。這些為控制對(duì)頁的訪問。關(guān)于這些位的解釋見表3-3 。

小頁被分成4 各子頁。

AP0 編碼對(duì)第一個(gè)子頁的訪問權(quán)限。

AP1 編碼對(duì)第二個(gè)子頁的訪問權(quán)限。

AP2 編碼對(duì)第三個(gè)子頁的訪問權(quán)限。

AP3 編碼對(duì)第四個(gè)子頁的訪問權(quán)限。

bits[31:12] 用來形成物理地址的對(duì)應(yīng)位。

微頁描述符字段
微頁描述符的字段有如下意義：

bits[1:0] 表示描述符的類型

bits[3:2] 高速緩促和緩沖位

bits[5:4] 訪問權(quán)限位。這些為控制對(duì)頁的訪問。關(guān)于這些位的解釋見表3-3 關(guān)于微頁的解釋。

bits[9:6] 現(xiàn)在沒有使用，應(yīng)該為零。

bits[31:10] 用來形成物理地址的對(duì)應(yīng)位。

MMU 把 CPU 產(chǎn)生的虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址去訪問外部存儲(chǔ)器，同時(shí)繼承并檢查訪問權(quán)限。地址轉(zhuǎn)換有四條路徑。路徑的選取由這個(gè)地址是被標(biāo)記成節(jié)映射訪問還是頁映射訪問確定。頁映射訪問可以是大、小和微頁的訪問。

MMU 的映射分為兩種，一級(jí)頁表的變換和二級(jí)頁表變換。兩者的不同之處就是所實(shí)現(xiàn)的變換地址空間大小不同。一級(jí)頁表變換支持 1M 大小的存儲(chǔ)空間的映射，而二級(jí)可以支持 64KB 、 4KB 和 1KB 大小地址空間的映射。

要實(shí)現(xiàn)從虛擬地址到物理地址的映射，必然會(huì)遇到一個(gè)問題，如何找到這個(gè)頁表。對(duì)于表的查找，要知道這個(gè)表的基地址和偏移地址，在具有 MMU 功能的處理器中，集成了一個(gè)被稱為 CP15 的協(xié)處理器，該協(xié)處理器的 C2 寄存器中用于保存頁表的基地址，

下面以一級(jí)頁表變換為例說明 MMU 實(shí)現(xiàn)地址變換的過程。

4 、節(jié)訪問的轉(zhuǎn)換過程
節(jié)和大頁是支持允許只用一個(gè) TLB 入口去映射大的存儲(chǔ)器區(qū)間。小頁和大頁有附加的訪問控制：小頁分成 1KB 的子頁，和大頁分成 16KB 的子頁。微頁沒有子頁，對(duì)微頁的訪問控制是對(duì)整個(gè)頁。

然而，轉(zhuǎn)換過程總是由下面所描述的那樣由第一級(jí)表的獲取開始。節(jié)映射的訪問只需要讀取第一級(jí)表，頁映射的訪問還需要讀取第二級(jí)表。

1 轉(zhuǎn)換表基址

當(dāng)片上（ on-chip ）的 TLB 中不包含被要求的虛擬地址的入口時(shí)，轉(zhuǎn)換過程被啟動(dòng)。轉(zhuǎn)換表基址寄存器（ CP15 的寄存器 2 ）保存著第一級(jí)轉(zhuǎn)換表基址的物理地址。只有 bits[31:14] 有效， bits[13:0] 應(yīng)該是零（ SBZ ）。所以第一級(jí)表必須在 16KB 的邊界。
2 取第一級(jí)表

轉(zhuǎn)換表基址寄存器的 bits[31:14] 與虛擬地址的 bits[31:20] 和兩個(gè) 0 位連接形成 32 為物理地址，如圖 3-2 。這個(gè)地址選擇了一個(gè)四字節(jié)的轉(zhuǎn)換表入口，它是第一級(jí)描述符或是指向第二級(jí)頁表的指針。

當(dāng)處理器訪問一個(gè)虛擬地址時(shí)，該虛擬地址的 [31 ： 20] 作為偏移地址與頁基地址結(jié)合（基地址必須是 64KB 對(duì)齊的，因此基地址的 [13 ： 0] 位都為 0 ），得到一個(gè) 32 位的頁表項(xiàng)地址（因?yàn)轫摫眄?xiàng)為 4 字節(jié)對(duì)齊， [1 ： 0] 兩位為 0 ）。通過這個(gè)頁表項(xiàng)地址可以檢索到該頁表項(xiàng)。頁表項(xiàng)的格式見前面第一級(jí)轉(zhuǎn)換表。

查找到頁表項(xiàng)后，根據(jù)頁表項(xiàng)的訪問特性（緩沖以及是否允許訪問等）協(xié)處理器決定是否允許訪問。如不允許訪問，則協(xié)處理器向 CPU 報(bào)告出錯(cuò)信息；反之，由頁表項(xiàng)的 [31 ： 20] 位與虛擬地址的 [19 ： 0] 一起組成實(shí)際的物理地址，實(shí)現(xiàn)從虛擬地址到物理地址的映射。如下圖所示：

5 、粗糙二級(jí)表中的小頁轉(zhuǎn)換 如果從第一級(jí)讀取到的是二級(jí)粗糙頁表描述符，那么會(huì)象下圖3-7 所示執(zhí)行第二級(jí)描述符讀取。

6 、精細(xì)二級(jí)表中的微頁轉(zhuǎn)換
如果從第一級(jí)讀取到的是二級(jí)精細(xì)頁表描述符，那么會(huì)象圖3-5 所示執(zhí)行第

二級(jí)描述符讀取。

7 、存儲(chǔ)器訪問的順序
查找整個(gè)轉(zhuǎn)換表的過程叫轉(zhuǎn)換表遍歷。它由硬件制動(dòng)進(jìn)行，并需要大量的執(zhí)行時(shí)間（至少一個(gè)存儲(chǔ)器訪問，通常是兩個(gè)）。為了減少存儲(chǔ)器訪問的平均消耗，轉(zhuǎn)換表遍歷結(jié)果被高速緩存在一個(gè)或多個(gè)叫作Translation Lookaside Buffers(TLBs) 的結(jié)構(gòu)中。通常在ARM 的實(shí)現(xiàn)中每個(gè)內(nèi)存接口有一個(gè)TLB 。

因此，當(dāng) ARM 要訪問存儲(chǔ)器時(shí)， MMU 先查找 TLB 中的虛擬地址表，如果 ARM 的結(jié)構(gòu)支持分開的地址 TLB 和指令 TLB ，那么它用：

· 取指令使用指令 TLB

· 其它的所有訪問類別用數(shù)據(jù) TLB

如果 TLB 中沒有虛擬地址的入口，則轉(zhuǎn)換表遍歷硬件從存在主存儲(chǔ)器中的轉(zhuǎn)換表中獲取轉(zhuǎn)換和訪問權(quán)限，一旦取到，這些信息將被放在 TLB 中，它會(huì)放在一個(gè)沒有使用的入口處或覆蓋一個(gè)已有的入口。

一旦為存儲(chǔ)器訪問的 TLB 的入口被拿到 , 這些信息將被用于：

1. C （高速緩存）和 B （緩沖）位被用來控制高速緩存和寫緩沖，并決定是否高速緩存。（如果系統(tǒng)中沒有高速緩存和寫緩沖，則對(duì)應(yīng)的位將被忽略）

2. 訪問權(quán)限和域位用來控制訪問是否被允許。如果不允許，則 MMU 將向 ARM 處理器發(fā)送一個(gè)存儲(chǔ)器異常；否則訪問將被允許進(jìn)行。

3. 對(duì)沒有高速緩存的系統(tǒng)（包括在沒有高速緩存系統(tǒng)中的所有存儲(chǔ)器訪問），物理地址將被用作主存儲(chǔ)器訪問的地址。對(duì)有高速緩存的系統(tǒng)，在高速緩存沒有選中的情況下，物理地址將被用行取 (line fetch) 的地址。如果選中了高速緩存，則物理地址將被忽略。圖 3-1 說明了這種高速緩存系統(tǒng)

三、協(xié)處理器 CP15
MMU 由系統(tǒng)控制寄存器的2 、3 、4 、5 、6 、8 、10 號(hào)寄存器和1 號(hào)寄存器的一些位控制。

5.1 對(duì)協(xié)處理器寄存器的操作
ARM 寄存器到協(xié)處理器的數(shù)據(jù)傳誦指令和反向傳送指令分別為MCR 　MRC

l MCR

MCR 指令將ARM 處理器的寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到協(xié)處理器的寄存器中。若協(xié)處理器不能成功執(zhí)行該操作，將產(chǎn)生未定義指令異常中斷。指令格式如下：

MCR{cond} coproc ，opcode1 ，Rd ，CRn ，CRm{ ，opcode2}

其中 coproc 指令操作的協(xié)處理器的名稱，標(biāo)準(zhǔn)名為pn ，n 為0~15 ，這里為p15

opcode1 協(xié)處理器的特定操作碼

Rd 做源的ARM 處理器寄存器

CRn 存放第一個(gè)操作數(shù)的協(xié)處理器寄存器

CRm 存放第二個(gè)操作數(shù)的協(xié)處理器寄存器

opcode2 可選的協(xié)處理器操作碼

指令舉例如下：

MCR p6,2,R7,c1,c2

MCR p7,0,R1,c3,c2,1

l MRC

MRC 指令將協(xié)處理器的寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到ARM 理器的寄存器中。若協(xié)處理器不能成功執(zhí)行該操作，將產(chǎn)生未定義指令異常中斷。指令格式如下：

MRC{cond} coproc ，opcode1 ，Rd ，CRn ，CRm{ ，opcode2}

其中 coproc 指令操作的協(xié)處理器的名稱，標(biāo)準(zhǔn)名為pn ，n 為0~15 ，這里為p15

opcode1 協(xié)處理器的特定操作碼

Rd 做目標(biāo)的ARM 處理器寄存器

CRn 存放第一個(gè)操作數(shù)的協(xié)處理器寄存器

CRm 存放第二個(gè)操作數(shù)的協(xié)處理器寄存器

opcode2 可選的協(xié)處理器操作碼

指令舉例如下：

MRC p6,2,R7,c1,c2

MCR p7,0,R1,c3,c2,1

CP15 寄存器 0 ， ID 代碼及緩存類型
訪問：只讀

CP 寄存器 0 包含詳細(xì)的硬件信息。讀訪問內(nèi)容由 opcode_2 域值確定。對(duì)寄存器 0 寫入結(jié)果無法預(yù)計(jì)。

將 opcode_2 域置 0 后讀寄存器 0 訪問 ID 代碼寄存器 。

將 opcode_2 域置 1 后讀寄存器 0 訪問緩存類型寄存器。緩存類型寄存器包含緩存大小與架構(gòu)信息?！?/p>

CP15 寄存器 1 ，控制
訪問：讀 / 寫

CP15 寄存器 1 或或稱為控制寄存器包含 ARM920T 控制位

各個(gè)控制位的作用：

• M[0]: MMU 使能

0 = MMU 禁用

1 = MMU 使能

• A[1]: 隊(duì)列故障使能

0 = 故障校驗(yàn)禁用

1 = 故障校驗(yàn)使能

• C[2]: DCache 使能

0 = DCache 禁用

1 = DCache 使能

• B[7]: Endianness

0 = 小 endian 模式

1 = 大 endian 模式

• S[8]: 系統(tǒng)保護(hù)

修改 MMU 保護(hù)系統(tǒng)

詳見 ARM920T 技術(shù)參考手冊(cè) Rev. DDI0151C 。

• R[9]: ROM 保護(hù)

修改 MMU 保護(hù)系統(tǒng)

詳見 ARM920T 技術(shù)參考手冊(cè) Rev. DDI0151C 。

• I[12]: ICache 控制

0 = ICache 禁用

1 = ICache 使能

• V[13]: 異常寄存器基地址

0 = 低地址，為 0x00000000

1 = 高地址，為 0xFFFF0000

• RR[14]: Round Robin 置換

0 = 隨機(jī)置換

1 = Round robin 置換

CP15 寄存器 2, TTB
訪問：讀 / 寫

CP15 寄存器 2 ，或轉(zhuǎn)換表基 (TTB) 寄存器，定義轉(zhuǎn)換表第一級(jí)，用于存放頁表基址

讀 CP15 寄存器 2 時(shí)，在 bits[31:14] 返回當(dāng)前活動(dòng)的第一級(jí)轉(zhuǎn)換表的物理地址， bits[13:0] 不確定。讀 CP15 寄存器 2 時(shí)， CRm 和操作數(shù) 2 被忽略，并應(yīng)該是 0 。

寫 CP15 寄存器 2 時(shí)，在 bits[31:14] 更新當(dāng)前活動(dòng)的第一級(jí)轉(zhuǎn)換表的物理地址， bits[13:0] 應(yīng)該寫 0 或先前讀回的值。寫 CP15 寄存器 2 時(shí)， CRm 和操作數(shù) 2 被忽略，并應(yīng)該是 0 。

CP15 寄存器 3 ，域訪問控制寄存器
訪問：讀 / 寫

CP 15 寄存器 3 ，或域訪問控制寄存器，定義允許域訪問。

使用 16 域進(jìn)行 MMU 訪問優(yōu)先級(jí)控制。

寄存器 3 中的每?jī)晌粚?duì)應(yīng)一個(gè)域。

域是節(jié)、大頁和小頁的集合。 ARM 結(jié)構(gòu)支持 16 個(gè)域。對(duì)域的訪問由域訪問控制寄存器的兩個(gè)位字段控制。因?yàn)槊總€(gè)字段對(duì)訪問對(duì)應(yīng)的域的使能非常迅速，所以整個(gè)存儲(chǔ)器區(qū)間能很快地交換進(jìn)出虛擬存儲(chǔ)器。這里支持 2 種域訪問方式：

客戶域的用戶（執(zhí)行程序，訪問數(shù)據(jù)），被形成這個(gè)域的節(jié)或頁來監(jiān)督訪問權(quán)限。

管理者控制域的行為（域中的當(dāng)前節(jié)和頁，對(duì)域的訪問），不被形成這個(gè)域的節(jié)或頁來監(jiān)督訪問權(quán)限。

一個(gè)程序可以是一些域的客戶，也是另外一些域的管理者，同時(shí)沒有對(duì)其它域的訪問權(quán)限。這允許對(duì)程序訪問不同存儲(chǔ)器資源的非常靈活的存儲(chǔ)器保護(hù)。表 3-4 說明了域訪問控制寄存器的位編碼方式。

（域的作用即對(duì)于每一個(gè)存儲(chǔ)塊如節(jié)、大頁和小頁，設(shè)置能否訪問這些存儲(chǔ)塊，或者訪問這些存儲(chǔ)塊時(shí)是否需要進(jìn)行在轉(zhuǎn)換表中所設(shè)置的權(quán)限的檢查）

CP15寄存器4，保留

對(duì)該寄存器的訪問( 讀或?qū)? 結(jié)果無法預(yù)見。

CP15寄存器5，故障狀態(tài)寄存器
訪問：讀/ 寫

讀CP 15 寄存器5，或故障狀態(tài)寄存器(FSR)，返回最后數(shù)據(jù)故障源，表示當(dāng)數(shù)據(jù)中止出現(xiàn)時(shí)嘗試訪問的域與類型。

此外，將引起數(shù)據(jù)中止的虛擬地址寫入故障地址寄存器(CP15 寄存器6)。

寫CP 15 寄存器5，或故障狀態(tài)寄存器(FSR)，設(shè)置數(shù)據(jù)寫入時(shí)FSR 值。用于調(diào)試器恢復(fù)FSR中值。

Status[3:0]: 故障類型

說明故障類型。當(dāng)數(shù)據(jù)中止出現(xiàn)時(shí)由MMU對(duì)狀態(tài)域編碼。狀態(tài)域譯碼由域名及與數(shù)據(jù)中止相關(guān)的MVA(存于FAR中)確定。

Domain[7:4]: 域

說明當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)訪問的域(D15 - D0)。

當(dāng)寫入時(shí)，未定義位為0，讀出時(shí)結(jié)果無法預(yù)見。

CP15寄存器6，故障地址寄存器
訪問：讀/ 寫

CP 15寄存器6，或故障地址寄存器(FAR)，包含當(dāng)最后故障出現(xiàn)時(shí)嘗試訪問的MVA 。FAR只會(huì)因數(shù)據(jù)故障而改變，不會(huì)因預(yù)取故障改變。

對(duì)FAR 的寫性能，允許調(diào)試器保存一個(gè)先前狀態(tài)。

CP15寄存器7，緩存工作寄存器
訪問: 只寫

CP15寄存器7，或緩存工作寄存器，用以管理指令緩存(ICache) 與數(shù)據(jù)緩存(DCache)。

每個(gè)緩存工作功能由pcode_2 及使用寫CP15 寄存器7 的MCR 指令的CRm 域選定。

詳細(xì)內(nèi)容參照手冊(cè)。

CP15寄存器8， TLB 工作寄存器
訪問: 只讀

CP15寄存器8，或轉(zhuǎn)換后備緩沖器(TLB)工作寄存器，用于管理指令TLB與數(shù)據(jù)TLB。

使用opcode_2及寫CP15 寄存器8 的MCR 指令中的CRm域選定TLB 工作 。

TLB:Translation Lookaside Buffer. 根據(jù)功能可以譯為快表,直譯可以翻譯為旁路轉(zhuǎn)換緩沖,也可以把它理解成頁表緩沖.里面存放的是一些頁表文件(虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換表).當(dāng)處理器要在主內(nèi)存尋址時(shí),不是直接在內(nèi)存的物理地址里查找的,而是通過一組虛擬地址轉(zhuǎn)換到主內(nèi)存的物理地址,TLB就是負(fù)責(zé)將虛擬內(nèi)存地址翻譯成實(shí)際的物理內(nèi)存地址,而CPU尋址時(shí)會(huì)優(yōu)先在TLB中進(jìn)行尋址.處理器的性能就和尋址的命中率有很大的關(guān)系.
二,為什么要引入TLB:
映射機(jī)制必須使一個(gè)程序能斷言某個(gè)地址在其自己的進(jìn)程空間或地址空間內(nèi),并且能夠高效的將其轉(zhuǎn)換為真實(shí)的物理地址以訪問內(nèi)存.一個(gè)方法是使用一個(gè)含有整個(gè)空間內(nèi)所有頁的入口(entry)的表(即頁表),每個(gè)入口包含這個(gè)頁的正確物理地址.這很明顯是個(gè)相當(dāng)大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),因而不得不存放于主存之中.
由于CPU首先接到的是由程序傳來的虛擬內(nèi)存地址,所以CPU必須先到物理內(nèi)存中取頁表,然后對(duì)應(yīng)程序傳來的虛擬頁面號(hào),在表里找到對(duì)應(yīng)的物理頁面號(hào),最后才能訪問實(shí)際的物理內(nèi)存地址,也就是說整個(gè)過程中CPU必須訪問兩次物理內(nèi)存(實(shí)際上訪問的次數(shù)更多).因此,為了減少CPU訪問物理內(nèi)存的次數(shù),引入TLB.。通常在ARM 的實(shí)現(xiàn)中每個(gè)內(nèi)存接口有一個(gè)TLB。

· 有一個(gè)存儲(chǔ)器接口的系統(tǒng)通常有一個(gè)唯一的TLB

· 指令和數(shù)據(jù)的內(nèi)存接口分開的系統(tǒng)通常有分開的指令TLB 和數(shù)據(jù)TLB

當(dāng)存儲(chǔ)器中的轉(zhuǎn)換表被改變或選中了不同的轉(zhuǎn)換表(通過寫CP15 的寄存器2)，先前在TLB中的轉(zhuǎn)換表遍歷結(jié)果將不再有效。MMU 結(jié)構(gòu)提供了刷新TLB 的操作。MMU 結(jié)構(gòu)也允許特定的轉(zhuǎn)換表遍歷結(jié)果被鎖定在一個(gè)TLB 中，這就保證了對(duì)相關(guān)的存儲(chǔ)器區(qū)域的訪問絕不會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換表遍歷，這也對(duì)那些把指令和數(shù)據(jù)鎖定在高速緩存中的實(shí)時(shí)代碼有相同的好處。

試圖用MRC 指令讀CP15 寄存器8 的結(jié)果不確定。當(dāng)只有很少量的存儲(chǔ)器被重新映射時(shí)，無效的單一入口操作能被用來在一些實(shí)現(xiàn)中改善性能。對(duì)每個(gè)被重新映射的存儲(chǔ)器區(qū)域（節(jié)、小頁或大頁），無效的單一入口需要在存儲(chǔ)器區(qū)域的虛擬地址上執(zhí)行。性能的改善來源于不用重新裝載與沒有被重新映射的存儲(chǔ)器區(qū)域相關(guān)的TLB 入口。

---小心------

當(dāng)存儲(chǔ)器被重新映射時(shí)必須使與舊的映射相關(guān)的TLB 入口無效。如果不這樣，可能會(huì)進(jìn)入兩個(gè)TLB 入口覆蓋虛擬地址范圍的狀態(tài)。在最好的情況下訪問這樣的覆蓋虛擬地址范圍會(huì)有不可預(yù)料的結(jié)果；在某些實(shí)現(xiàn)中甚至?xí)锢頁p壞MMU。強(qiáng)烈建議在重新映射存儲(chǔ)器時(shí)要加倍小心使TLB 適當(dāng)?shù)厥А?/p>

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CP15寄存器9，緩存上鎖寄存器
訪問: 讀/ 寫

CP15寄存器9，或緩存上鎖寄存器，復(fù)位時(shí)值為0x0。緩存上鎖寄存器允許軟件控制在ICache或DCache上的緩存線上載入填充。防止在填充時(shí)ICache 或 DCache 被驅(qū)逐，將其鎖定在緩存中。

由CP15 寄存器9 讀取返回緩存上鎖寄存器值，即所有緩存段的基地址指針。只返回[31:26]，其它值不可預(yù)見。

對(duì)CP15 寄存器9 寫入更新緩存上鎖寄存器，所有緩存段基地址與當(dāng)前地址指針更新。

CP15寄存器10， TLB 上鎖寄存器
訪問: 讀/ 寫

CP15寄存器10，或 TLB上鎖寄存器復(fù)位時(shí)值為0x0。每個(gè)TLB均有一個(gè)TLSB上鎖寄存器；opcode_2值確定訪問哪個(gè)TLB寄存器：

opcode_2 = 0x0 ， D TLB 寄存器

opcode_2 = 0x1， I TLB寄存器

轉(zhuǎn)換表遍歷的執(zhí)行需要一定的時(shí)間，特別當(dāng)訪問慢速的主存儲(chǔ)器時(shí)。在實(shí)時(shí)中斷處理程序中，當(dāng)TLB 不包含中斷處理程序的轉(zhuǎn)換和/或要訪問的數(shù)據(jù)時(shí)，中斷延遲回大量加長(zhǎng)。

TLB 鎖定是一些ARM 存儲(chǔ)器系統(tǒng)的特性，它允許把特定的轉(zhuǎn)換表遍歷的結(jié)果裝載到TLB 中。這種方式不會(huì)被后來的轉(zhuǎn)換表遍歷的結(jié)果覆蓋。由CP15 寄存器10 設(shè)定。設(shè) W=LOG2(TLB 入口數(shù))，如果需要的話取整(round-up)，則CP15 寄存器10 的格式為：

如果具體的實(shí)現(xiàn)有分開的指令和數(shù)據(jù)TLB，那么有2 個(gè)不同的寄存器，由訪問寄存器10 的MCR 或MRC 指令中的opcode2 字段選擇：

opcode2 == 0 選擇數(shù)據(jù)TLB 鎖定寄存器

opcode2 == 1 選擇指令TLB 鎖定寄存器

如果具體的實(shí)現(xiàn)只有唯一的TLB，那么只有1 個(gè)寄存器，opcode2 字段應(yīng)該為0。訪問寄存器10 的MCR 或MRC 指令中的CRm 總應(yīng)該為0。

寫寄存器10 有如下結(jié)果：

victim 字段表示下次TLB 失敗(miss)時(shí)，轉(zhuǎn)換表遍歷的結(jié)果替代哪個(gè)TLB 入口。Base 字段包含TLB 替換的策略，只使用從(base)到(TLB 入口-1)的TLB 入口，victim 應(yīng)該在這個(gè)區(qū)間。

轉(zhuǎn)換表遍歷的結(jié)果在寫到TLB 入口時(shí)，若P==1 則它被保護(hù)起來，不能被寄存器8的使整個(gè)TLB 失效操作影響；若P==0 則會(huì)被那些操作給失效掉。

---注------

如果TLB 的入口不是2 的N 次方，那么寫到大于或等于TLB 入口數(shù)的TLB 入口的base 或victim 的值將不確定。

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讀寄存器10 將返回它的值。

CP15寄存器11， 12，保留
對(duì)這些寄存器的訪問( 讀或?qū)? 結(jié)果不可預(yù)見。

CP15寄存器13， FCSE PID寄存器
訪問: 讀/ 寫

CP15寄存器13，或快速前后切換擴(kuò)展(FCSE)處理標(biāo)識(shí)符(PID) 寄存器，復(fù)位時(shí)值為0x0。

由CP15 寄存器13讀取返回FCSE PID值。

向CP15 寄存器13寫入置位FCSE PID。

FCSE PID 設(shè)置ARM9TDMI 與緩存存儲(chǔ)器MMU 間映射。

ARM9TDMI 地址范圍為0 ～ 32 M字節(jié)，通過FCSE PID 轉(zhuǎn)換。

CP15寄存器14， 保留
對(duì)這些寄存器的訪問( 讀或?qū)? 結(jié)果不可預(yù)見。

CP15寄存器15，測(cè)試配置寄存器
CP15寄存器15，或測(cè)試配置寄存器用于測(cè)試。對(duì)該寄存器的訪問( 讀或?qū)? 結(jié)果不可預(yù)見。

四、設(shè)置MMU
下面是一個(gè)設(shè)置MMU進(jìn)行地址重映射的一個(gè)實(shí)例

對(duì)于實(shí)際編程工作而言，主要是確定如何編寫頁表中的內(nèi)容并如何確定頁表項(xiàng)地址。現(xiàn)舉例如下：

假設(shè)物理地址為0x3000_0000~0x30ff_ffff（1M空間）的一塊連續(xù)空間需映射為0x0000_0000~0x000f_ffff的一塊連續(xù)空間：

1．確定頁表項(xiàng)中的內(nèi)容：把物理地址的基地址作為頁表項(xiàng)的高12位（31bit～21bit），填寫訪問屬性。假設(shè)可以讀寫，可以讀緩存、寫緩沖，這樣該頁表項(xiàng)內(nèi)容為0x3000_C00E；

2．確定頁表基地址，填寫頁表基地址到CP15寄存器的C2中。頁表的基地址要為64KB對(duì)齊，此處為0x305f_c000；

3．計(jì)算出偏移地址，把內(nèi)容填寫到頁表項(xiàng)地址中。頁表項(xiàng)地址=頁表基地址+（虛擬地址基地址>>18）,如頁表基地址為0x305f_c000,那么，頁表項(xiàng)地址=0x305f_c000；

4．將頁表項(xiàng)數(shù)值寫到對(duì)應(yīng)的頁表項(xiàng)地址中。上例中，需要向地址0x305f_c000中寫入0x3000_COOE。

下面是程序的具體實(shí)現(xiàn)
;init MMU
;寫MMU表到on chip sram from 0x60010000 to 0x60014000

import write_mmu_table

ldr r0,=table ;0x305f_c000

bl write_mmu_table ;
nop
nop
ldr r2,=0x55555555
mcr p15,0x0,r2,c3,c0,0 ;16個(gè)域均為0b01,客戶模式

nop
nop
nop
nop

ldr r0,=table ;
mcr p15,0x0,r0,c2,c0,0 ;變換表基地址寫入cp15 r2
nop
nop
nop
nop
mov r2,#0x7d ;0b0111 1101,使能cache,write buffer,MMU
mcr p15,0x0,r2,c1,c0,0
nop
nop
nop
nop
nop
nop
就這些,mmu初始化完了
write_mmu_table()是c的小程序，往ram寫地址轉(zhuǎn)換的描述
void write_mmu_table(UINT32 *base)
{
UINT32 *p_table;
UINT32 description;
UINT32 i;

p_table = base;
description = 0x3000_C00E;　//頁表項(xiàng)的值
*p_table = description;

p_table++;
description = 0x31000c10　　//下面使除了上面映射地址之外，所有的虛擬地址都為無效
//地址..bits[1:0]==0b00，所關(guān)聯(lián)的地址沒有被映射
for (i=1;i<4096;i++)
{
*p_table = description;
description = description +0x00100000;
p_table ++;
}

//return;
}