ARM中MMU的作用

让我们从历史发展的角度看MMU的作用

这一部分可结合蔡于清的讲解来看，下面的大部分内容转载此处，针对自己的理解做了一些扩充性说明。只是需要注意的是，在蔡于清此部分的讲解中，有几处小的错误，完成此部分的讲解后可以进行更正。

MMU功能部件是与虚拟内存技术（virtual memory）紧密联系在一起的。

第一阶段：最初，计算机内存很小，而且非常昂贵，大多数都是以KB为单位的。相应的，当时程序规模很小，不复杂，所以内存还是能够满足需求的。在看《Linkers andLoaders》的时候，也是从这个阶段讲解，不过此书的核心视角是从Linkers和Loaders的发展来看的。也就是，计算机刚刚出现时，还是比较简陋的，各种复杂的技术是伴随着人们需求的提高而出现的。把握住这一点，就可以从需求的角度入手探讨技术，可以分析它如何满足了这样的需求。通过这种分析，理解上就比较简单一些了。

第二阶段：程序规模扩大，考虑到成本问题，出现了overlay技术，也就是内存覆盖策略。基本的原理就是把程序分割成许多称为“覆盖块”的片断。覆盖块0首先加载运行，结束时调用另一个覆盖块。覆盖块的调度是由OS来完成的，但是事先需要分割，这部分工作是程序员借助Linkers来完成的。但是毕竟枯燥，由此带来的开销也比较大。于是进入第三个阶段。

第三阶段：出现virtual memory。虚拟存储器的基本思想是程序，数据，堆栈的总的大小可以超过物理存储器的大小，操作系统把当前使用的部分保留在内存中，而把其他未被使用的部分保存在磁盘上。比如对一个16MB的程序和一个内存只有4MB的机器，OS通过选择，可以决定各个时刻将哪4M的内容保留在内存中，并在需要时在内存和磁盘间交换程序片段，这样就可以把这个16M的程序运行在一个只具有4M内存机器上了。而这个16M的程序在运行前不必由程序员进行分割。

伴随着这种技术的出现，“virtual address，即VA”和“physical address，即PA”也就出现了。一般来说，CPU看到的地址是VA，VA是有地址线来决定的。比如，s3c2410是32位的SoC，那么它的寻址空间为2^32=4GB，那么VA空间也就是4GB。但是在嵌入式系统中，物理存储器是不会有这么大的。现在这块s3c2410的实际内存SDRAM也就 64MB，远远小于4GB。也就是说，VA是4GB，PA是64MB，PA的地址空间是VA地址空间的子集。既然PA没有VA那么大，而且CPU只能看到 VA，那么CPU如何找到PA呢？这也正是MMU的基本作用之一，就是提供VA到PA的转换机制，除了硬件的支持外，软件上实际就是维护一张表，表中的内容是VA到PA的转换法则。由于有了MMU，那么就可以实现利用VA找到实际物理内存区域。

现在讨论为什么要实现VA到PA的映射。就ARM而言，系统上电后，CPU的PC指向0x00000000或者0xffff0000，这是由CPU的设计者决定的。在这个位置，一般安排非易失性存储器地址空间，比如rom，flash等。但是flash等响应速度慢，这就称为提高系统性能的一个瓶颈。而 sdram则具有很高的响应速度，为了提高系统运行速度，可以把flash中的应用程序下载到sdram中执行，也就是一个简单的loader的功能实现。这样就出现一个问题，ARM响应exception时，程序指针指向固定的VA，比如，假设发生了IRQ中断，那么PC执行0x00000018（如果是高端启动，则指向0xffff0018处。）但是此处仍然为非易失性存储器，也就是说，程序的一部分仍然在flash或者rom中执行。这时可以利用 MMU，把sdram的地址映射到0x00000000起始的一片连续地址空间，而把原来flash映射到其他不相冲突的存储空间位置。例如，flash 的地址范围0x00000000－0x00ffffff，sdram的地址范围0x30000000－0x31ffffff。那么可以把sdram映射到 0x00000000－0x1fffffff（此处地址空间未被占用）。映射完成后，如果处理器异常，假设依然为IRQ中断，pc指向 0x00000018，但是pc实际上是从物理地址0x30000018处读取指令。通过mmu的映射，可以实现系统运行的加速。这个地方也可以说明 bootloader中常见的中断向量表的设置，为什么有些使用b，有些使用ldr了。

在实际的应用过程中，还可能会把两片不连续的物理地址空间分配给sdram，而在os中，习惯上把sdram的空间连续起来，方便实现动态内存管理。通过mmu可以实现不连续的物理地址空间映射为虚拟地址空间。

另外一个需求就是，实现不同的运行级别，那么一些关键的代码可以设定不被普通应用程序访问。这也是通过mmu控制访问权限来实现的。

综上三个阶段所述，可见MMU的作用主要就是两个:

· 实现VA到PA的映射（可以因此实现方便的动态内存管理）
· 实现不同的访问权限。