2021年02月09日 | 基于S3C6410的ARM11学习（十五） MMU来了

如今，已经是到了main的世界了。下面就要来体验ARM11的MMU，这个东西在STM32中是没有的。之前在核心初始化过程中，是将MMU功能给关闭的。那是因为那个时候，操作的都是物理地址，所以需要将MMU关闭。

 MMU，内存管理单元。主要是有两个作用：

1、  将虚拟地址转化为物理地址

2、  内存的访问权限管理

上面这个图就说明了MMU的作用。

有三个任务在运行，运行的地址都是0x400000，如果不进行处理，这肯定是不行的。所以加入了MMU，MMU其实就是一个页表。将虚拟地址通过查表的方式，对应到物理地址去。虽然三个任务的运行地址都是0x400000，但是这个地址是虚拟地址，在页表中，将每个任务的虚拟地址对应到不同的物理地址，这样，就实现了各个任务虽然是同一个虚拟地址，但是在不同的物理地址中运行。

所以要使用MMU，就首先要建立这个页表，这个页表是谁建立的，就是我们自己建立的。建立虚拟内存对应的物理内存的页表，这样，MMU才能从页表中去找到虚拟地址对应的物理地址。

MMU有一级转换和二级转换，其实就是查几次表。对于一级转换，就是只查一次页表，就确定了物理地址。这个在S3C6410中，方式是段映射。对于二级转换，就要查两次页表或者三次，才能确定物理地址，这个在S3C6410中。有两种方式，一种细页方式，一种粗页方式。这两种的区别就是每一页对应的大小不一样而已。

上图是一级转换描述符。通过虚拟地址的[31:20]，找到对应的转换描述符，这个转换描述符其实就是一个存在ram中的32位的一个数据。通过判断这个描述符的最后两位，判断是什么转换。如果是段转换，就按照段转换的格式去转化物理地址。如果是页转换，就在去找第二级的页表，然后再按照二级页表的格式去转化物理地址。

首先看下一级转换页表的段转换。

一级页表总包含4096个转换描述符。因为是通过虚拟地址的31:20位寻址的。12位能够表示的数最大是4096，所以说一级页表总共有4096个转换符。页表的首地址就是TTB，这个地址是很重要的，因为有了这个地址才能知道页表是存在什么地方的，才能通过偏移找到对应的描述符。所以，是有一个寄存器来保存这个地址的，这个寄存器就在CP15的c2寄存器。

通过虚拟地址的高12位偏移，找到页表中的对应描述符，判断描述符的最后两位，确定是什么转换。10的话就表示是段转换。

判断是段转换后，将描述符的高12位取出，这个就是物理的基地址，在和虚拟地址的后20位拼接，就得到对应的物理地址。

对于段转换，每一个段代表物理的1MB地址。为什么是1MB了。因为总共是有4096个描述符，而ARM11是32位的，所以能够表示的空间是4G，这样除下来，不就每一段就表示1MB空间了。

二级转换的原理也是一样的。只不过需要多查几次表。这里就大致画个细页的转换图。

就是通过不断的查表，然后得到物理地址。

目前学习是基于段转换的学习，所以下面就说下段转换。先来看看一级页表描述符。

最后两位来表示是什么转换。10是段转换。

B：表示是否使能write buffer

C:  表示是否开启cache

XN：

Domain: 用来说明该段属于哪一个域，ARM11共有16个域，每个域可以设定不同的权限。将段分配到某个域，就使这段的权限和设定的域权限一样。

P：表示段区间有ECC，ARM11不支持，所以这一位为0.

AP：访问权限，这个配合域，说明该段地址的访问权限。

TEX：这个目前不是很清楚作用。

APX: 提供额外的访问权限。

S: 表示区域是否共享。0不共享，1共享。这个手册上说，是为了多核使用的。目前用不到，设置为0.

nG:

NS:

Section base address：这个就是段的物理地址的高12位。

下图是访问权限

为了让空间能够读写，所以APX和AP[1:0]的值设置为011.

这里设置的访问权限，还要配合设置的域。ARM11支持16个域，由CP15的C3来设置。在ARM11核手册195页，有说明：

寄存器的每两个位对应一个区域，设置不同的值，对访问权限也不一样。设置为00或10的话，以访问就产生异常，01的话，需要检查MMU中设置的权限。设置为11，就是不进行访问权限的判断。都认为是可以访问的。

这里为了简单，通通设置为11。所以这个寄存器的值就是0xffffffff。

下面就要进行程序的设计了。

第一步，就是建立页表。都使用段映射的方式，那么就要将段映射的描述符写入到相应的内存中去。

首先将页表放在ddr的第一个位置，也就是0x50000000。所以需要将这个地址写入到TTB中。

这次就通过虚拟地址实现灯闪烁，所以需要建立GPIO寄存器的虚拟地址到物理地址映射。

其次，开启MMU后，使用的就是虚拟地址了，所以还要建立程序段的页表，不然一旦开启MMU，CPU去取指令，这个时候发出的就是虚拟地址，但是又没有建立虚拟地址到物理地址的映射表。这样的话，就取不到指令了，程序就崩溃了。所以还需要对代码区建立映射页表。代码区的映射就是将虚拟地址直接转换为物理地址使用。

先确定使用GPIO的两个寄存器地址

就更改前面8位的值。下面就要将这个地址给映射到0x7F000000区域去。

代码也是比较简单的。首先申明一个ttb指针，这个指针就指向一级表的基地址，也就是ddr的首地址，0x50000000。然后再申明两个变量，一个表示虚拟地址，一个表示物理地址。

根据前面的一级段描述符格式，往对应的内存单元写入数据即可。段描述符的高12位是物理地址的高12位，所以首先有一个物理地址和0xFFF00000与的操作，将物理地址的高12位写入到段描述符中。

后面的位就进行相应的配置即可。看看这个定义的宏。

设置为访问权限是11，也就是不进行访问权限的检查。将域设置为0。CACHE和write BUFFER都给关掉。因为这只是对一个寄存器的操作，没有必要使用CACHE和write BUFFER。

这里用宏定义的话，程序的易读性好好得多，当然也可以直接给这个描述符赋值，不用这种宏定义的方式，但是这样程序易读性就差了，因为要去查手册才能知道你赋这个值有什么用。

这里使用*(ttb + (vaddr >> 20))来对对应的页描述符进行赋值。在一级页表中，是通过虚拟地址的高12位来决定偏移是多少。高12位也就是位移20位，所以这里就是加上虚拟地址右移20位的值，也就是取出高12位的值。注意，这里是指针操作，假设这个时候虚拟地址的高12位值是5，那么写的地址不是0x50000005，而是0x50000014。因为指针的数据类型是long型，4个字节，所以加1，地址就会加4，加5，地址就会加5*4=20。

这样，就建立好了GPIO的页表。访问虚拟地址0xc7000000，也就是访问物理地址0x7f000000。整个段空间是1Mb。

接着就要建立代码区的页表。

这个时候，代码已经是在内存中运行的了。所以，直接将内存的所有地址空间进行映射，空间是64MB大小。

这里使用的宏

其实就是多一个开启CACHE和WRITE BUFFER。

内存映射是映射一片区域，从0x50000000地址开始到0x54000000这64M的虚拟地址给映射到0x50000000地址开始到0x54000000这64M物理地址上去。这样，即使使用虚拟地址去取ddr中数据，也是能够取到的。

因为一个段是映射的1MB空间，所以总共需要64个段，十六进制也就是0x40。所以在while里面判断是虚拟地址要小于0x54000000。再者，每一个段表示1MB空间，所以虚拟地址和物理地址都要加1MB。也就是0x100000。

这样，就将页表给建立好了。如果还需要使用其他地址区域，就都得为这些区域建立映射表。

下面就要来开启MMU了。

之前说过，有一个TTB是很重要的，保存的是一级页表的首地址。首先就应该先要设置这个TTB。往CP15的C2寄存器里面写入这个值就好了，因为这个寄存器就是保存的TTB。

然后是设置域的权限，将域的权限设置为11，不进行访问权限检查。设置CP15的c3寄存器。

最后打开MMU。设置CP15的c1寄存器组的c0。

是对CP15进行操作，用C语言是实现不了的，使用嵌入汇编。

这样，就设置好了MMU，并打开了MMU。之后使用的地址都是虚拟地址了。而且该虚拟地址必须是要在页表中建立的，不然的话，就会产生异常。

后面使用虚拟地址来让灯闪烁。

代码和之前代码一样，不过只是地址变量，寄存器使用的地址是虚拟地址了，也不是物理地址了。

总结一下，MMU的作用其实就是地址的转换，将虚拟地址转换为物理地址。不过在bootloader开发阶段，这个MMU是不使用的。因为在这阶段，要配置大量的寄存器来对硬件进行一些初始化，如果使用MMU的话，就要对这些寄存器的地址都要建立页表，使CPU能够访问到。这就比较麻烦了。不过在跑操作系统的时候，这个又是很需要的。这让内存管理变得方便。进程都使用虚拟地址，操作系统对这些虚拟地址进行映射到具体的物理地址上去，就感觉每个进程都是可以访问到4G空间的。

对比STM32：

STM32没有MMU，只有MPU，对内存保护。相当于实现了MMU的一半功能。