ARM内存管理单元

1.2.5 ARM内存管理单元

MMU是存储器管理单元的缩写，是用来管理虚拟内存系统的器件。MMU通常是CPU 的一部分，本身有少量存储空间存放从虚拟地址到物理地址的匹配表，此表称作TLB（转换旁置缓冲区）。所有数据请求都送往MMU，由MMU决定数据是在RAM中还是在大容量存储器设备中。如果数据不在RAM中，MMU将产生缺页中断。

MMU的两个主要功能如下：

1．将虚地址转换成物理地址。

2．控制存储器存取允许。

嵌入式系统中，存储系统差别很大，可包含多种类型的存储器件，如FLASH、SRAM、SDRAM、ROM等，这些不同类型的存储器件速度和宽度等各不相同；在访问存储单元时，可能采取平板式的地址映射机制对其操作，或需要使用虚拟地址对其进行读写；系统中，需引入存储保护机制，增强系统的安全性。为适应如此复杂的存储体系要求，ARM处理器中引入了存储管理单元来管理存储系统。

在实践中，使用MMU解决了如下几个问题：

1．使用DRAM作为大容量存储器时，如果DRAM的物理地址不连续，这将给程序的编写调试造成极大不便，而适当配置MMU可将其转换成虚拟地址连续的空间。

2．ARM内核的中断向量表要求放在0地址，对于ROM在0地址的情况，无法调试中断服务程序，所以在调试阶段有必要将可读写的存储器空间映射到0地址。

3．系统的某些地址段是不允许被访问的，否则会产生不可预料的后果，为了避免这类错误，可以通过MMU匹配表的设置，将这些地址段设为用户不可存取类型。

启动程序时生成的匹配表中包含地址映射，存储页大小（1M、64K、4K）以及是否允许存取等信息。MMU通过虚拟地址和页面表位置信息，按照转换逻辑获得对应物理地址，输出到地址总线上。

MMU的作用有两个：地址翻译和地址保护。软件的职责是配置页表，硬件的职责是根据页表完成地址翻译和保护工作。如果CPU没有硬件MMU，那么这张表将毫无意义。必须从CPU的角度去理解内存映射这个概念，内存映射是CPU通过MMU把一条指令中要访问的地址转换为物理地址，然后发送到总线上的过程。

在实际的应用中，可能会把两片不连续的物理地址空间分配给SDRAM。而在操作系统中，习惯于把SDRAM的空间连续起来，方便内存管理，且应用程序申请大块的内存时，操作系统内核也可方便地分配。通过MMU可实现不连续的物理地址空间映射为连续的虚拟地址空间。

操作系统内核或者一些比较关键的代码，一般是不希望被用户应用程序所访问的。通过MMU可以控制地址空间的访问权限，从而保护这些代码不被破坏。

MMU的实现过程，实际上就是一个查表映射的过程。建立页表（translate table）是实现MMU功能不可缺少的一步。页表位于系统的内存中，页表的每一项对应于一个虚拟地址到物理地址的映射。每一项的长度即是一个字的长度（在ARM中，一个字的长度被定义为4字节）。页表项除完成虚拟地址到物理地址的映射功能之外，还定义了访问权限和缓冲特性等。

MMU的映射分为两种，一级页表的变换和二级页表变换。两者的不同之处就是所实现的变换地址空间大小不同。一级页表变换支持1M大小的存储空间的映射，而二级可以支持64KB、4KB和1KB大小地址空间的映射。

要实现从虚拟地址到物理地址的映射，必然会遇到一个问题，如何找到这个页表。对于

表的查找，要知道这个表的基地址和偏移地址，在具有MMU功能的处理器中，集成了一个被称为CP15的协处理器，该协处理器的C2寄存器中用于保存页表的基地址，ARM MMU执行以下一些功能，将虚拟地址转换成物理地址；控制存储访问权限；决定存储器中每一页的Cache和写缓冲器的行为。当禁用MMU时，所有的虚拟地址一一映射到与其相同的物理地址。如果MMU在转换一个地址时失败，就会产生一个中止异常。MMU只有在转换失败、权限错误和域（domain）错误时，才会中止。

MMU的主要配置和控制模块如下：页表、转换旁路缓冲器、域和访问权限、Cache和写缓冲器、CP15、快速上下文切换扩展。