ARM內(nèi)存管理單元學(xué)習(xí)ppt課件

1、;of14地址范圍：由CPU的位數(shù)決定，例如一個32位的CPU，它的地址范圍是00 xFFFFFFFF （4G)1相關(guān)概念分頁機(jī)制：虛擬地址空間劃分成稱為頁page的單位，而相應(yīng)的物理地址空間也被進(jìn)行劃分，單位是頁幀(frame).頁和頁幀的大小必須相同。;of14TLB和地址轉(zhuǎn)換表2相關(guān)概念1. TLB(translation lookaside buffer) 轉(zhuǎn)換遍歷緩存。 TLB是MMU的核心部件，它存儲少量的虛擬地址與物理地址的轉(zhuǎn)換關(guān)系，它其實(shí)是物理內(nèi)存區(qū)的一小段內(nèi)存。TLB是位于內(nèi)存中的頁表的cache，如果沒有TLB，則每次取數(shù)據(jù)都需要兩次訪問內(nèi)存,即查頁表獲得物理地址和取數(shù)據(jù).

2、 2. 地址轉(zhuǎn)換表。 當(dāng)TLB中沒有緩沖對應(yīng)的地址轉(zhuǎn)換關(guān)系時，需要查找這個地址轉(zhuǎn)換表，找到虛擬地址與物理地址的對應(yīng)關(guān)系。在大多數(shù)處理器中，這個轉(zhuǎn)換表為多級頁表，比如386里面的頁目錄表和頁表;of14將線性地址映射為物理地址2功能說明現(xiàn)代的多用戶多進(jìn)程操作系統(tǒng)，需要MMU，才能達(dá)到每個用戶進(jìn)程都擁有自己獨(dú)立的地址空間的目標(biāo)。使用MMU,操作系統(tǒng)劃分出一段地址區(qū)域，在這塊地址區(qū)域中，每個進(jìn)程看到的內(nèi)容都不一定一樣。例如 WINDOWS操作系統(tǒng)將地址范圍4M-2G劃分為用戶地址空間，進(jìn)程A在地址0X4000004M映射了可執(zhí)行文件，進(jìn)程B同樣在地址0X4000004M映射了可執(zhí)行文件，如果A進(jìn)程讀

3、地址0X400000，讀到的是A的可執(zhí)行文件映射到RAM的內(nèi)容，而進(jìn)程B讀取地址0X400000時，則讀到的是B的可執(zhí)行文件映射到RAM的內(nèi)容。;of14將線性地址映射為物理地址2功能說明;of14CP15的C8寄存器用來控制清除TLB的內(nèi)容，是只寫寄存器，讀操作將產(chǎn)生不可預(yù)知的后果。CP15的C10寄存器用于控制TLB內(nèi)容鎖定。如果系統(tǒng)中包含獨(dú)立的指令TLB和數(shù)據(jù)TLB，那么對應(yīng)于數(shù)據(jù)TLB和指令TLB分別有一個獨(dú)立的TLB內(nèi)容鎖定寄存器，用來選擇其中的某個寄存器;of14;of14ARMMMU硬件采用2級頁表結(jié)構(gòu)：一級頁表L1和二級頁表L2）3MMU的頁表一級頁表支持4種類型的頁表項(xiàng)-由b

4、it1:0決定：1.1MB段轉(zhuǎn)換項(xiàng)；（指向一個1MB的存儲段）2.指向L2細(xì)頁表的目錄項(xiàng)；（包含一個L2細(xì)頁表首地址的指針，同時包含L1表項(xiàng)代 表的1MB虛存段的域信息。細(xì)頁表必須與4KB的倍數(shù)地址對齊）3.指向L2粗頁表的目錄項(xiàng)；（粗頁表必須與1KB的倍數(shù)地址對齊）4.產(chǎn)生中止異常的錯誤項(xiàng)一級頁表兩大類：1.指向第一級頁表L2頁表的基地址 2.直接指向1MB的物理內(nèi)存L1主頁表既可作為L2頁表的頁目錄，也可作為用于轉(zhuǎn)換1MB虛擬頁稱為一段的普通頁表L1頁表中每個表項(xiàng)可以覆蓋1MB的內(nèi)存，由于有4096K個選項(xiàng)item），所以總計(jì)可以覆蓋4096K*1MB=4GB的內(nèi)存空間。;of143MMU

5、的頁表L1每種頁表的結(jié)構(gòu);of14ARMMMU硬件采用2級頁表結(jié)構(gòu)：一級頁表L1和二級頁表L2）3MMU的頁表二級頁表有4種類型的頁表項(xiàng)）-由bit1:0決定：1.定義64KB頁幀屬性的大large頁表項(xiàng)；（包含一個64KB物理存儲塊的基地址，同時還包含4組權(quán)限位域，以及頁的cache和寫緩沖器屬性。每一組訪問權(quán)限位域代表虛存頁的1/4，這些頁表項(xiàng)可以看成是16KB子頁，以更好的控制64KB頁的訪問權(quán)限）。2.定義4KB頁幀屬性的小small頁表項(xiàng)；3.定義1KB頁幀屬性的微tiny頁表項(xiàng)；4.訪問時產(chǎn)生頁錯中止異常的錯誤頁表項(xiàng)。（注意區(qū)別大頁，小頁，微頁和粗頁表，細(xì)頁表）一個L2粗頁表有25

6、61MB/4KB個頁表項(xiàng),占用1KB的主存空間，每個頁表項(xiàng)將一個4KB的虛擬存儲塊轉(zhuǎn)換成一個4KB的物理存儲塊。粗頁表支持4KB或64KB的頁，頁表項(xiàng)包含的是4KB或64KB的頁幀的首地址。如果轉(zhuǎn)換的是一個64KB的頁，對于每個64KB的頁，同一個頁表必須在頁表中重復(fù)16次。一個L2細(xì)頁表有10241MB/1KB個頁表項(xiàng),占用4KB的主存空間，每個頁表項(xiàng)將一個1KB的虛擬存儲塊轉(zhuǎn)換成一個4KB的物理存儲塊。細(xì)頁表支持1KB,4KB或64KB的頁，頁表項(xiàng)包含的是1KB,4KB或64KB的頁幀的首地址。;of143MMU的頁表L2每種頁表的結(jié)構(gòu);of14頁表：存在內(nèi)存中的地址轉(zhuǎn)換表，頁表由一個個條

7、目(描述符)組成條目：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，或者下一級頁表地頁號：從頁表基址開始，每頁的索引號頁內(nèi)偏移：某一頁的內(nèi)部偏移地址 條目也稱為“描述符”(Descriptor)： 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地址； 粗頁表描述符、細(xì)頁表描述符-他們保存二級頁表的物理地址轉(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)如果此條目是段描述符，則返回物理地址，轉(zhuǎn)換結(jié)束 (3)如果此條目是二級頁表描述符，繼續(xù)利用虛擬地址在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

8、，轉(zhuǎn)換結(jié)束; (5)其他情況出錯5轉(zhuǎn)換過程;of145轉(zhuǎn)換過程;of143轉(zhuǎn)換過程單步搜索-當(dāng)L1頁表用于轉(zhuǎn)換一個1MB的段時搜索1MB的頁），其頁表項(xiàng)PTE包含的就是物理存儲器中1MB頁幀page frame的首地址。;of143轉(zhuǎn)換過程兩步搜索-搜索大小為1KB、4KB、16KB、64KB的頁。一級頁表存放的是二級頁表的目錄，二級頁表才是存放轉(zhuǎn)換表的。L1頁表作為頁目錄時，其頁表項(xiàng)PTE包含的就是1MB虛擬空間的L2粗coarse頁表或L2細(xì)fine頁表的指針;of14;of143轉(zhuǎn)換過程只有一級頁表的情況：第一個MVA 第二個是頁表基址寄存器c2）;of143轉(zhuǎn)換過程保存在粗頁表中的大頁

9、地址轉(zhuǎn)換過程：;of143轉(zhuǎn)換過程保存在粗頁表中的小頁地址轉(zhuǎn)換過程：;of143轉(zhuǎn)換過程保存在粗頁表中的極小頁地址轉(zhuǎn)換過程：;of14地址轉(zhuǎn)換失敗時產(chǎn)生的異常和處理4MMU異常處理1） TLB異常：如果試圖訪問沒有在 MMU的 TLB中映射的內(nèi)存地址，會觸發(fā)這個異常。在支持虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)中，這一般會觸發(fā)內(nèi)存的頁面倒換，系統(tǒng)的 Exception Handler會將所需要的內(nèi)存頁從虛擬內(nèi)存中調(diào)入物理內(nèi)存，并更新相應(yīng)的 TLB表項(xiàng)。2地址對齊異常：如果試圖訪問一個非對齊的地址，例如 lw/sw指令的地址非 4字節(jié)對齊，或 lh/sh的地址非 2字節(jié)對齊，就會觸發(fā)這個異常。一般地，操作系統(tǒng)在 Exception Handler中對這個異常的處理，是分兩次讀取 /寫入這個地址。雖然一般的操作系統(tǒng)內(nèi)核都處理了這個異常，最后能夠完成期待的操作，但是由于會引起用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，以及異常的退出，當(dāng)這樣非對齊操作較多時會嚴(yán)重影響