“老司机”这样解读ARM MMU的地址转换

首先搞清楚为什么要使用MMU?

 

MMU即内存管理单元，直白一点的讲，就像食堂的餐具，所有的学生一起吃饭时不够用，但食堂又不想再出资购买新的餐具(原因很明显：一方面要成本，另一方面又占地方。这就像增加内存一样，那么有没有解决办法?

 

根据以往经验得知不可能全学校的学习一起都到食堂吃饭，于是食堂就找几个人负责餐具的管理(相当于MMU)，他们一方面发放餐具，保证来的同学有餐具可用，另一方面又回收用完的餐具(这就相当于虚拟地址到物理地址之间建立了一个映射一样，内存还是那么多，但从任意单个程序角度都好像用不完一样)。当然如果有同学一个人拿好几套餐具肯定不允许的(这就相当于内存的权限检查)。

 

MMU在地址转换过程中涉及到三种地址：(VA---Virtual Address，虚拟地址)---这个就相当于餐具存放的地方(大家都可以领到餐具)。CPU核心看到和用到的只是虚拟地址VA，至于VA如果去对应物理地址PA，CPU核心不理会，大家也不会去关心总共有多少餐具吧;(MVA---Modified Virtual Address，变换后的虚拟地址)---这个相当于放假的时候，人很少，只发餐具好了，用过的就不先回收了，节省人员了。Caches和MMU看不到VA，他们利用MVA转换得到PA，放假了回收餐具的人也不需要一直寻找用完的餐具;(PA---Physical Address,物理地址)---实际的餐具量，就那些。实际设备看不到VA、MVA，读写它们使用的是物理地址PA，同学们就餐一般会领到餐具。

 

2.虚拟地址到物理地址的转换过程。ARM使用页表来进行转换，一般开发板最多会用到两级页表，以段(Section，1M)的方式进行转换时只用到一级页表，以页(Page)的方式进行转换时用到两级页表。页的大小有3种：大页(64KB)、小页(4KB)和极小页(1KB)。本文只是以段地址转换过程为例来讲解一下，页的转换大同小异。

 

首先有个页表基址寄存器(位置为协处理器CP15的寄存器C2)，它里面写入的就是一级页表的地址，通过读取它就可以找到一级页表存放的起始位置。一级页表的地址是16K对齐(所以[13:0]为0，使用[31:14]存储页表基址)。一级页表使用4096个描述符来表示4GB空间，所以每个描述符对应1MB的虚拟地址，存储它对应的1MB物理空间的起始地址，或者存储下一级页表的地址。使用MVA[31:20]来索引一级页表(31-20一共12位，2^12=4096，所以是4096个描述符)，得到一个描述符，每个描述符占4个字节。

 

描述符最后两位为0B10时，即是段的方式映射。[31:20]为段基址，此描述符低20位填充0后就是一块1MB物理地址空间的起始地址。MVA[19:0]用来在这1MB空间中寻址。描述符的位[31:20]和MVA[19:0]构成了这个虚拟地址MVA对应的物理地址。以段的方式进行映射时，虚拟地址MVA到物理地址PA的转换过程如下：

 

①页表基址寄存器位[31:14]和MVA[31:20]组成一个低两位为0的32位地址，MMU利用这个地址找到段描述符;

 

②取出段描述符的位[31:20](段基址)，它和MVA[19:0]组成一个32位的物理地址(这就是MVA对应的PA)。