當(dāng)前位置:首頁(yè) > 嵌入式 > 嵌入式分享
[導(dǎo)讀]在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中,內(nèi)存管理單元(Memory Management Unit, MMU)扮演著至關(guān)重要的角色,它是連接處理器與物理內(nèi)存之間的橋梁,負(fù)責(zé)將處理器生成的虛擬地址(Virtual Address, VA)轉(zhuǎn)換為物理內(nèi)存中的實(shí)際物理地址(Physical Address, PA)。這一過(guò)程不僅提升了系統(tǒng)的安全性和靈活性,還極大地優(yōu)化了內(nèi)存的使用效率。本文將深入探討MMU的工作原理,以及它是如何將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址的。

在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中,內(nèi)存管理單元(Memory Management Unit, MMU)扮演著至關(guān)重要的角色,它是連接處理器與物理內(nèi)存之間的橋梁,負(fù)責(zé)將處理器生成的虛擬地址(Virtual Address, VA)轉(zhuǎn)換為物理內(nèi)存中的實(shí)際物理地址(Physical Address, PA)。這一過(guò)程不僅提升了系統(tǒng)的安全性和靈活性,還極大地優(yōu)化了內(nèi)存的使用效率。本文將深入探討MMU的工作原理,以及它是如何將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址的。


引言:為何需要虛擬內(nèi)存?

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,應(yīng)用程序?qū)?nèi)存的需求日益增長(zhǎng),而物理內(nèi)存(RAM)的容量增長(zhǎng)卻相對(duì)緩慢。此外,不同程序間可能存在內(nèi)存沖突,即多個(gè)程序試圖同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一物理內(nèi)存區(qū)域。為了解決這些問(wèn)題,虛擬內(nèi)存技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。虛擬內(nèi)存允許每個(gè)程序擁有自己獨(dú)立的地址空間,這些地址空間在物理內(nèi)存中并不連續(xù),而是通過(guò)MMU進(jìn)行映射和管理。


MMU的基本功能

MMU的核心功能是實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程依賴(lài)于頁(yè)表(Page Table)或段表(Segment Table)等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),這些表記錄了虛擬地址與物理地址之間的映射關(guān)系。此外,MMU還負(fù)責(zé)處理內(nèi)存保護(hù)、地址轉(zhuǎn)換緩存(Translation Lookaside Buffer, TLB)管理以及內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限控制等任務(wù)。


虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過(guò)程

虛擬地址生成:當(dāng)CPU執(zhí)行程序時(shí),它會(huì)根據(jù)指令生成一個(gè)虛擬地址,該地址指向程序想要訪(fǎng)問(wèn)的內(nèi)存位置。

地址解析請(qǐng)求:CPU將虛擬地址發(fā)送給MMU,請(qǐng)求將其轉(zhuǎn)換為物理地址。

查找頁(yè)表或段表:MMU接收到虛擬地址后,首先會(huì)查找頁(yè)表或段表以獲取對(duì)應(yīng)的物理地址。頁(yè)表或段表通常存儲(chǔ)在內(nèi)存中,但為了提高效率,MMU還會(huì)使用TLB來(lái)緩存最近訪(fǎng)問(wèn)過(guò)的地址映射。

頁(yè)表查找:如果采用分頁(yè)機(jī)制,MMU會(huì)根據(jù)虛擬地址的頁(yè)號(hào)部分在頁(yè)表中查找對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)(Page Table Entry, PTE)。頁(yè)表項(xiàng)中包含了物理頁(yè)幀號(hào)(Physical Frame Number, PFN)和其他控制信息,如訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限、臟位(Dirty Bit)、有效位(Valid Bit)等。

段表查找:如果采用分段機(jī)制,則根據(jù)虛擬地址的段號(hào)部分在段表中查找對(duì)應(yīng)的段表項(xiàng),段表項(xiàng)中包含了段的基地址和長(zhǎng)度等信息。

地址轉(zhuǎn)換:一旦找到對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)或段表項(xiàng),MMU就會(huì)根據(jù)其中的信息計(jì)算出物理地址。對(duì)于分頁(yè)機(jī)制,物理地址由物理頁(yè)幀號(hào)和虛擬地址的頁(yè)內(nèi)偏移量組合而成;對(duì)于分段機(jī)制,物理地址則是段基地址與段內(nèi)偏移量的和。

權(quán)限檢查:在將物理地址返回給CPU之前,MMU還會(huì)檢查訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限,確保當(dāng)前操作符合頁(yè)表項(xiàng)或段表項(xiàng)中定義的權(quán)限要求。

訪(fǎng)問(wèn)物理內(nèi)存:如果權(quán)限檢查通過(guò),CPU將使用物理地址訪(fǎng)問(wèn)物理內(nèi)存,完成數(shù)據(jù)的讀取或?qū)懭氩僮鳌?

MMU的優(yōu)化技術(shù)

為了提高地址轉(zhuǎn)換的效率,MMU采用了多種優(yōu)化技術(shù),其中最重要的是TLB。TLB是一種高速緩存,用于存儲(chǔ)最近訪(fǎng)問(wèn)過(guò)的虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系。當(dāng)CPU需要訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存時(shí),它會(huì)首先檢查T(mén)LB中是否已存在對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系。如果存在,則可以直接使用TLB中的物理地址訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存,從而避免了頁(yè)表或段表的查找過(guò)程,大大提高了訪(fǎng)問(wèn)速度。


結(jié)論

MMU作為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵組件,通過(guò)實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換,為程序提供了一個(gè)獨(dú)立、連續(xù)且安全的內(nèi)存空間。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程不僅解決了物理內(nèi)存不足和內(nèi)存沖突的問(wèn)題,還通過(guò)TLB等優(yōu)化技術(shù)提高了內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)的效率。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,MMU的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)也將繼續(xù)演進(jìn),以適應(yīng)更加復(fù)雜和多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀(guān)點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系該專(zhuān)欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車(chē)的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國(guó)汽車(chē)技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車(chē)工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車(chē)。 SODA V工具的開(kāi)發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車(chē) 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來(lái)越多用戶(hù)希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來(lái)越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對(duì)日本游戲市場(chǎng)的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開(kāi)幕式在貴陽(yáng)舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱(chēng),數(shù)字世界的話(huà)語(yǔ)權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤(rùn)率延續(xù)升勢(shì) 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長(zhǎng) 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營(yíng)商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國(guó)電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng) NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)"軟通動(dòng)力")與長(zhǎng)三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉