ARM MMU工作原理剖析

上圖是描述符的結(jié)構(gòu)
Section base address:段基地址（相當(dāng)于頁框號首地址）
AP: 訪問控制位Access Permission
Domain: 訪問控制寄存器的索引。Domain與AP配合使用，對訪問權(quán)限進(jìn)行檢查
C:當(dāng)C被置1時為write-through (WT)模式
B: 當(dāng)B被置1時為write-back (WB)模式（C,B兩個位在同一時刻只能有一個被置1）
下面是s3c2410內(nèi)存映射后的一個示意圖：

我的s3c2410上配置的SDRSAM大小為64M,該SDRAM的物理地址范圍是0x3000 0000~0x33FF FFFF(屬于Bank 6)，由于1個Section的大小是1M,所以該物理空間可以被分成64個物理段(頁框).

在Section模式下，送進(jìn)MMU的虛擬地址(注1)被分為兩部分（這點和我們上面舉的例子是一樣的），這兩部分為 Descriptor Index(相當(dāng)于上面例子的Page Index)和 Offset,descript index長度為12bit(2^12=4096,從這個關(guān)系式你能看出什么？：) )，Offset長度為20bit（2^20=1M，你又能看出什么？：)）.觀察一下一個描述符（Descriptor）中的Section Base Address部分，它長度為12 bit，里面的值是該虛擬段（頁）映射成的物理段（頁框）的物理地址前12bit，由于每一個物理段的長度都是1M，所以物理段首地址的后20bit總是為0x00000(每個Section都是以1M對齊)，確定一個物理地址的方法是 物理頁框基地址+虛擬地址中的偏移部分=Section Base Address<<20+Offset ,呵呵，可能你有點糊涂了，還是舉一個實際例子說明吧。

假設(shè)現(xiàn)在執(zhí)行指令MOV REG, 0x30000012，虛擬地址的二進(jìn)制碼為00110000 00000000 00000000 00010010，前12位是Descriptor Index= 00110000 0000=768,故在Translation Table里面找到第768號描述符，該描述的Section Base Address="0x0300",也就是說描述符所描述的虛擬段（頁）所映射的物理段（頁框）的首地址為0x3000 0000（物理段（頁框）的基地址=Section Base Address左移20bit=0x0300<<20=0x3000 0000），而Offset=000000 00000000 00010010=0x12,故虛擬地址0x30000012映射成的物理地址=0x3000 0000+0x12=0x3000 0012（物理頁框基地址+虛擬地址中的偏移）。你可能會問怎么這個虛擬地址和映射后的物理地址一樣？這是由我們定義的映射規(guī)則所決定的。在這個例子中我們定義的映射規(guī)則是把虛擬地址映射成和他相等的物理地址。我們這樣書寫映射關(guān)系的代碼：
void mem_mapping_linear(void)
{
unsigned long descriptor_index, section_base, sdram_base, sdram_size;
sdram_base=0x30000000;
sdram_size=0x 4000000;
for (section _base= sdram_base,descriptor_index = section _base>>20;
section _base < sdram_base+ sdram_size;
descriptor_index+=1;section _base +=0x100000)
{
*(mmu_tlb_base + (descriptor_index)) = (section _base>>20) | MMU_OTHER_SECDESC;
}
}

上面的這段段代碼把虛擬空間0x3000 0000~0x33FF FFFF映射到物理空間0x3000 0000~0x33FF FFFF，由于虛擬空間與物理空間空間相吻合，所以虛擬地址與他們各自對應(yīng)的物理地址在值上是一致的。當(dāng)初始完Translation Table之后，記得要把Translation Table的首地址(第0號描述符的地址)加載進(jìn)協(xié)處理器CP15的Control Register2(2號控制寄存器)中,該控制寄存器的名稱叫做Translation table base (TTB) register。

以上討論的是descriptor中的Section Base Address以及虛擬地址和物理地址的映射關(guān)系,然而MMU還有一個重要的功能，那就是訪問控制機(jī)制(Access Permission )。簡單說訪問控制機(jī)制就是CPU通過某種方法判斷當(dāng)前程序?qū)?nèi)存的訪問是否合法（是否有權(quán)限對該內(nèi)存進(jìn)行訪問），如果當(dāng)前的程序并沒有權(quán)限對即將訪問的內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行操作，則CPU將引發(fā)一個異常，s3c2410稱該異常為Permission fault，x86架構(gòu)則把這種異常稱之為通用保護(hù)異常（General Protection），什么情況會引起Permission fault呢？比如處于User級別的程序要對一個System級別的內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行寫操作，這種操作是越權(quán)的，應(yīng)該引起一個Permission fault，搞過x86架構(gòu)的朋友應(yīng)該聽過保護(hù)模式（Protection Mode）,保護(hù)模式就是基于這種思想進(jìn)行工作的，于是我們也可以這么說：s3c2410的訪問控制機(jī)制其實就是一種保護(hù)機(jī)制。那s3c2410的訪問控制機(jī)制到底是由什么元素去參與完成的呢？它們間是怎么協(xié)調(diào)工作的呢？這些元素總共有：
1．協(xié)處理器CP15中Control Register3：DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER
2．段描述符中的AP位和Domain位
3．協(xié)處理器CP15中Control Register1(控制寄存器1)中的S bit和R bit
4．協(xié)處理器CP15中Control Register5(控制寄存器5)
5．協(xié)處理器CP15中Control Register6(控制寄存器6)
DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER 是訪問控制寄存器，該寄存器有效位為32，被分成16個區(qū)域，每個區(qū)域由兩個位組成，他們說明了當(dāng)前內(nèi)存的訪問權(quán)限檢查的級別，如下圖所示：

每區(qū)域可以填寫的值有4個，分別為00,01,10,11(二進(jìn)制)，他們的意義如下所示：

00：當(dāng)前級別下，該內(nèi)存區(qū)域不允許被訪問，任何的訪問都會引起一個domain fault
01：當(dāng)前級別下，該內(nèi)存區(qū)域的訪問必須配合該內(nèi)存區(qū)域的段描述符中AP位進(jìn)行權(quán)檢查
10：保留狀態(tài)（我們最好不要填寫該值，以免引起不能確定的問題）
11：當(dāng)前級別下，對該內(nèi)存區(qū)域的訪問都不進(jìn)行權(quán)限檢查。
我們再來看看discriptor中的Domain區(qū)域，該區(qū)域總共有4個bit,里面的值是對DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER中16個區(qū)域的索引.而AP位配合S bit和A bit對當(dāng)前描述符描述的內(nèi)存區(qū)域被訪問權(quán)限的說明,他們的配合關(guān)系如下圖所示:

AP位也是有四個值,我結(jié)合實例對其進(jìn)行說明.
在下面的例子中，我們的DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER都被初始化成0xFFFF BDCF,如下圖所示：

例1：
Discriptor 中的domain=4,AP=10(這種情況下S bit ,A bit 被忽略)
假設(shè)現(xiàn)在我要對該描述符描述的內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行訪問：
由于domain=4,而DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER中field 4的值是01，系統(tǒng)會對該訪問進(jìn)行訪問權(quán)限的檢查。
假設(shè)當(dāng)前CPU處于Supervisor模式下，則程序可以對該描述符描述的內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行讀寫操作。
假設(shè)當(dāng)前CPU處于User模式下，則程序可以對該描述符描述的內(nèi)存進(jìn)行讀訪問，若對其進(jìn)行寫操作則引起一個permission fault.

例2：
Discriptor 中的domain=0,AP=10(這種情況下S bit ,A bit 被忽略)
domain=0,而DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER中field 0的值是11，系統(tǒng)對任何內(nèi)存區(qū)域的訪問都不進(jìn)行訪問權(quán)限的檢查。
由于統(tǒng)對任何內(nèi)存區(qū)域的訪問都不進(jìn)行訪問權(quán)限的檢查，所以無論CPU處于合種模式下（Supervisor模式或是User模式），程序?qū)υ撁枋龇枋龅膬?nèi)存都可以順利地進(jìn)行讀寫操作

例3：Discriptor 中的domain=4,AP=11(這種情況下S bit ,A bit 被忽略)
由于domain=4,而DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER中field 4的值是01，系統(tǒng)會對該訪問進(jìn)行訪問權(quán)限的檢查。
由于AP=11，所以無論CPU處于合種模式下（Supervisor模式或是User模式），程序?qū)υ撁枋龇枋龅膬?nèi)存都可以順利地進(jìn)行讀寫操作

例4：
Discriptor 中的domain=4,AP=00, S bit="0",A bit="0"
由于domain=4,而DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER中field 4的值是01，系統(tǒng)會對該訪問進(jìn)行訪問權(quán)限的檢查。
由于AP=00，S bit="0",A bit="0",所以無論CPU處于合種模式下（Supervisor模式或是User模式），程序?qū)υ撁枋龇枋龅膬?nèi)存都只能進(jìn)行讀操作，否則引起permission fault.
通過以上4個例子我們得出兩個結(jié)論：
1．對某個內(nèi)存區(qū)域的訪問是否需要進(jìn)行權(quán)限檢查是由該內(nèi)存區(qū)域的描述符中的Domain域決定的。
2．某個內(nèi)存區(qū)域的訪問權(quán)限是由該內(nèi)存區(qū)域的描述符中的AP位和協(xié)處理器CP15中Control Register1(控制寄存器1)中的S bit和R bit所決定的。