ARM存储管理系统MMU

一、虚拟地址和物理地址的区别

CPU通过地址来访问内存中的单元，地址有虚拟地址和物理地址之分。如果CPU没有MMU（Memory Management Unit，内存管理单元），或者有MMU但没有启用，CPU在访问内存时发出的地址将直接传送到地址总线上，使具有相同地址的物理存储器被读写。这称为物理地址（Physical Address，以下简称PA），如下图所示：

图1.物理地址示意图

如果CPU启用了MMU，CPU核发出的地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址（Virtual Address，以下简称VA），而MMU将这个地址翻译成真正的物理地址发送到地址总线上，也就是将虚拟地址映射成物理地址，如下图所示：

图2.虚拟地址示意图

二、虚拟地址映射物理地址原理

页表是实现虚拟地址到物理地址转换的一个重要手段。我们在使用MMU以前，需要在内存中新建一个页表。表中的每一行（即一个字的大小）存放的是一个物理内存页的基地址，该页的访问权限和缓冲特性等，这里将页表中这样的一行称为一个地址变换条目。页表存放在内存中，CP15的C2寄存器用来存放页表的基地址。

多数使用虚拟存储器的系统都使用一种称为分页（paging）。虚拟地址空间划分成称为页（page）的单位。而相应的物理地址空间也被进行划分，单位是页框(frame).页和页框的大小必须相同。

虚拟地址被MMU分为两部分，，第一部分是页号索引（page Index），第二部分则是相对该页首地址的偏移量（offset）

当CPU访问一个地址时，该地址是虚拟地址，于是该地址被送到MMU，MMU再根据虚拟地址的高几位作为页号索引，在页表中寻找对应的地址变换条目。从地址变换条目中找到物理地址的页基地址，再加上虚拟地址中的偏移量，便得到了真正的物理地址，然后由MMU将物理地址发送到地址总线上，访问物理内存。

那么MMU是如何使用页号索引在页表中找到对应的地址变换条目呢？MMU会用CP15协处理其中的C2寄存器存放的页表基地址加上虚拟地址的页号索引值，然后便得到了页表中对应的地址变换条目的地址。其实页号索引就是相对于页表基地址的一个偏移量，然后使用基地址加偏移量的方式得到一个页表中的地址。

例：如图所示，如果分页大小为1M，虚拟地址为0x30000012,

虚拟地址的二进制码为00110000 00000000 00000000 00010010 前12位为页号索引，后20位为偏移量，因为2^20 = 1M

前12位页号索引为00110000 0000 = 768，所以在页表中找到相对于页表基地址的偏移量为768的地址，然后得到地址变换条目。于是0x0300 < 20位，便得到了物理页基地址，再加上虚拟地址中的偏移位0000 00000000 00010010 = 0x12，便得到了真正的物理地址0x30000012。

1、TLB的概念

从虚拟地址到物理地址的变换过程其实就是查询页表的过程，由于页表存放在内存中，这个查询过程通常代价很大。而程序在执行过程中具有局部性，也就是说，一段时间内，对页表的访问只是局限在少数几个单元中。根据这个特点，采用一个容量更小、访问速度更快的存储器来存放当前访问需要的地址变换条目。这个小容量的页表称为快表，也称TLB.

当CPU访问内存时，现在TLB中查找需要的地址变换条目。如果该条目不存在，CPU从位于内存的页表中查询，并把相应的结果添加到TLB中。这样，当CPU下一次又需要该地址变换条目时，可以从TLB中直接得到，从而使地址变换的速度大大加快。

当内存中的页表内容改变，或者通过修改CP15中的寄存器C2使用新的页表时，TLB的内容需要全部清除。MMU提供了相关的硬件支持这种操作。CP15中的寄存器C8用来 控制清除TLB内容的相关操作。

MMU可以将某些地址变换条目锁定在TLB中，从而使得进行与该地址变换条目相关的地址变换速度保持很快。在MMU中C10用于控制TLB内容的锁定。

注：TLB中存放的是地址变换条目，相当于一个小页表。

• 使无效TLB内容

当内存中的页表内容改变，或者通过修改协处理器CP15的寄存器来使用新的页表时，TLB中的内容需要全部或者部分使无效。所谓使无效是指将TLB中的某个地址的地址变换条目表示成无效，从而在TLB中找不到该地址变换条目，而需要到内存页表中重新查找该地址变换条目。如果不进行TLB的使无效操作，可能造成同一个虚拟地址对应于不同的物理地址（TLB中保存的还是旧的地址映射关系，而内存中的页表已经存了新的地址映射关系）。

有时候页表可能只是部分内容改变了，只影响了很少的地址映射关系，这种情况下，可以只使无效TLB对应的单个地址变换条目可能会提高系统性能。

系统协处理器CP15的寄存器C8就是清除TLB内容的相