[ARM筆記]內(nèi)存管理單元地址變換過程

1. 地址的分類
以前的程序很小,可以全部裝入內(nèi)存中運(yùn)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(yùn)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(shí)際上，一個程序在運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(shí)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(jìn)行了擴(kuò)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(shí)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(shí)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(yuǎn)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(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)程標(biāo)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(jìn)程時的代價：不使用MVA而直接使用VA的話，當(dāng)兩個進(jìn)程所用的虛擬地址空間（VA）有重疊時，在切換進(jìn)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(jìn)程切換就省事多了；假設(shè)兩個進(jìn)程1、2運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行轉(zhuǎn)換時只用到一級頁表，以頁(Page)的方式進(jìn)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(xì)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。