[ARM筆記]內(nèi)存管理單元地址變換過程
1. 地址的分類
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201611/340661.htm以前的程序很小,可以全部裝入內(nèi)存中運行,隨著技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了如下兩種情況:
1)有的程序很大,它要求的內(nèi)存空間超過了內(nèi)存總?cè)萘?不能一次性裝入內(nèi)存中;
2)多任務(wù)系統(tǒng)中有很多程序需要同時運行,它們要求的內(nèi)存空間超過了內(nèi)存總?cè)萘?不能把所有的程序全部裝入內(nèi)存中。
實際上,一個程序在運行前,沒有必要全部裝入內(nèi)存,而僅需要將那些當(dāng)前要運行的部分先裝入內(nèi)存,其余部分在用到的時候再從磁盤調(diào)入,而當(dāng)內(nèi)存耗光時,再將暫時不用的部分調(diào)出到磁盤。這使得一個大程序可以在較小的內(nèi)存空間中運行,也使得內(nèi)存中可以同時裝入更多的程序并發(fā)執(zhí)行,從用戶的角度看,該系統(tǒng)所具有的內(nèi)存容量比實際的內(nèi)存容量大得多,人們把這樣的存儲器稱為虛擬存儲器。
虛擬存儲器從邏輯上對內(nèi)存容量進行了擴充,用戶看到的大容量只是一種感覺,是虛的。在32位的CPU系統(tǒng)中,這個虛擬內(nèi)存的地址范圍是0~0xffff_ffff,我們把這個地址范圍稱為虛擬地址空間,其中的某個地址稱為虛擬地址。與虛擬地址空間、虛擬地址對應(yīng)的是物理地址空間、物理地址,它們對應(yīng)實際的內(nèi)存。
虛擬地址最張需要轉(zhuǎn)換為物理地址才能讀寫實際的數(shù)據(jù),這通過將虛擬地址空間、物理地址空間劃分為同樣大小的一塊塊小空間(稱為段或頁),然后為這兩類小空間建立映射關(guān)系。由于虛擬地址空間遠大于物理空間,有可能多塊虛擬地址空間映射到同一塊物理地址空間,或者有些虛擬地址空間沒有映射到具體的物理地址空間上去(可以在使用到時再映射)。ARM CPU的地址轉(zhuǎn)換過程涉及到3個概念:虛擬地址(VA,Virtual Address)、變換后的虛擬地址(MVA,Modified Virtual Address)、物理地址(PA,Physical Address)。
沒啟動MMU時,CPU核、cache、MMU、外設(shè)等所有部件使用的都是物理地址。
啟動MMU后,CPU核對外發(fā)出虛擬地址VA;VA被轉(zhuǎn)換為MVA供cache、MMU使用,在這里MVA被轉(zhuǎn)換為PA;最后使用PA讀寫實際設(shè)備(S3C2410/S3C2440內(nèi)部寄存器或外接設(shè)備):
1)CPU核看到的、用到的都是虛擬地址VA,至于VA如何最終落實到物理地址PA上,CPU核是不理會的。
2)而cache和MMU也是看不到VA的,它們利用MVA轉(zhuǎn)換得到的PA。
3)實際的設(shè)備看不到VA、MVA,讀寫它們時使用的是物理地址PA。
MVA是除CPU核外的其他部分看見的虛擬地址。
如果VA<32M,需要使用進程標識號PID(通過讀CP15的C13來獲得)來轉(zhuǎn)換為MVA。VA與MVA的轉(zhuǎn)換方法如下:
if (VA<32M) then
MVA=VA | (PID<<25) //VA<32M
else
MVA=VA //VA>=32M
利用PID生成MVA的目的是為了減少切換進程時的代價:不使用MVA而直接使用VA的話,當(dāng)兩個進程所用的虛擬地址空間(VA)有重疊時,在切換進程時為了把重疊的VA映射到不到的PA上去,需要重建頁表、使無效caches和TLBS等,代價非常大。使用MVA后,進程切換就省事多了;假設(shè)兩個進程1、2運行的VA都是0~(32M-1),但是它們的MVA并不重疊,分別是0x0200_0000~0x03ff_ffff、0x0400_0000~0x05ff_ffff,這樣就不必進行重建頁表等工作了。
2. 虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過程
將一個虛擬地址轉(zhuǎn)換為一個物理地址,一般有兩種方法:用一個確定的數(shù)學(xué)公式進行轉(zhuǎn)換或用表格存儲虛擬地址對應(yīng)的物理地址。這類表格稱為頁表(Page table),頁表由一個個條目(Entry)組成;每個條目存儲了一段虛擬地址對應(yīng)的物理地址及其訪問權(quán)限,或者下一級頁表的地址。
在ARM CPU中使用第二種方法。S3C2410/S3C2440最多會用到兩級頁表:以段(Section,1MB)的方式進行轉(zhuǎn)換時只用到一級頁表,以頁(Page)的方式進行轉(zhuǎn)換時用到兩級頁表。頁的大小有3種:大頁(64KB)、小頁(4KB)、極小頁(1KB)。條目也被稱為“描述符”(Descriptor),有:段描述符、大頁描述符、小頁描述符、極小頁描述符——它們保存段、大頁、小頁或極小頁的起始物理地址;粗頁表描述符、細頁表描述符——它們保存二級頁表的物理地址。
大概的轉(zhuǎn)換過程如下:
1)根據(jù)給定的虛擬地址找到一級頁表中的條目;
2)如果此描述符是段描述符,則返回物理地址,轉(zhuǎn)換結(jié)束;
3)否則,如果此描述符是二級頁表描述符,繼續(xù)利用虛擬地址在此二級頁表中找到下一個條目;
4)如果這第二個條目是頁描述符,則返回物理地址,轉(zhuǎn)換結(jié)束;
5)其他情況出錯。
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