ARM中MMU地址转换理解

朱雀 2021-11-05 10:58 296阅读 0赞

首先，我们要分清ARM CPU上的三个地址：虚拟地址(VA,Virtual Address)、变换后的虚拟地址(MVA,Modified Virtual Address)、物理地址(PA,Physical Address)

启动MMU后，CPU核对外发出虚拟地址VA，VA被转换为MVA供MMU使用，在这里MVA被转换为PA；最后通过PA读写实际设备

MMU的作用就是负责虚拟地址（virtual address）转化成物理地址（physical address）。 32位的CPU的虚拟地址空间达到4GB，在一级页表中使用4096个描述符来表示这4GB的空间，每个描述符代表1M的虚拟地址，要么存储了它的对应物理地址的起始地址，要么存储了下一级页表的地址。使用MVA\[31:20\]来索引一级页表（4096个描述符）（因为全用MVA的高12位来索引，因此大小为 2^12 = 4096）

由协处理器CP15中的寄存器C2（高18位，即\[31：14\]为转换表基地址，低14位为0）为一级转换表基地址，指向2^14=16KB整除的存储器即16K对齐，这个存储区称为一级转换表；MVA的高12位，即位\[31:20\]作为一级转换表的地址索引，因此一级转换表具有2^12=4096项，每一项的地址为32位，最高的18位\[31：14\]为寄存器C2的高18位，中间12位为MVA的高12位\[31:20\]，最低2位为0b00。每一项的内容称为一个描述符，在段（Section）下，一级描述符的高12位为大小为1MB的段基地址，段内地址（偏移地址）为MVA的低20位，即段内每个存储器的地址是这样组成：高12位为一级描述符的高12位，低20位MVA的低20位。这样，借助于寄存器C2和一级描述符，将一个MVA转换成一个PA。（在这里一定要注意：**MVA的高12位是用来索引4096个项的，然后使用项的内容（即描述符）的高12位为段的高12位，类似于指针里面存放地址，4096项类似指针，描述符类似指针里面的内容**）

虚拟地址（注意：是一个确定的地址，不是一个空间）被MMU分成2个部分，第一部分是4096页号索引（descriptor index）即用选择4096（2^12）个号中的某个页号，比喻description index为768，页号768中保存的是物理地址的某个页框的起始地址（0x300），第二部分则是相对于section base（0x300）为起始地址空间为1M的偏移量（offset）（如下图）例如： 假设现在执行指令MOV REG, 0x30100013，虚拟地址的二进制码为00110000 00010000 00000000 00010011，前12位是Descriptor Index  = 2^9+2^8+1 = 769，找到769项对应的内容0x301，偏移量为0000 00000000 00010011=13，那么段地址为0x3000000D。

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5.地址转换的总体流程：  
     第一阶段：  
          （1）从虚拟地址取出前面的31-20位，作为索引。  
          （2）根据索引在translation table（一级页表）中找到相应的表项。  
          （3）根据表项最低两位的值决定第二阶段的转换方式。  
                    00：转换无效  
                    01：粗页转换  
                    10：段转换  
                    11：细页转换  
          （4）linux系统一般用细页转换，也有一定的处理器和操作系统用段转换，很少用粗页转换。。  
  
  
6.关于TTB（translation table base）  
（1）translation table存放在内存中。  
（2）由程序员制造，故程序员知道其基地址（TTB）。  
（3）程序员将TTB写入cp15的c2寄存器（TTB寄存器）。  
（4）MMU工作的时候从c2寄存器去到TTB，从而找到translation table，进而利用虚拟地址的31-20位可以在该表中找到相应的表项，开始虚拟地址到物理地址的转换。。

范例代码：

#define GPKCON (volatile unsigned long*)0xA0008820
    #define GPKDAT (volatile unsigned long*)0xA0008824
    
    /* 
     * 用于段描述符的一些宏定义
     */ 
    #define MMU_FULL_ACCESS     (3 << 10)   /* 段的访问权限 AP*/
    #define MMU_DOMAIN          (0 << 5)    /* 属于哪个域 */
    #define MMU_SPECIAL         (1 << 4)    /* 必须是1 */
    #define MMU_CACHEABLE       (1 << 3)    /* cacheable 快速访问*/
    #define MMU_BUFFERABLE      (1 << 2)    /* bufferable 缓冲区 */
    #define MMU_SECTION         (2)         /* 表示这是段描述符 */
    #define MMU_SECDESC         (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | MMU_SECTION)
    #define MMU_SECDESC_WB      (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | MMU_CACHEABLE | MMU_BUFFERABLE | MMU_SECTION)
    
    
    void create_page_table(void) 
    /*
    1. 建立页表
    2. 写入TTB （cp15 c2）
    3. 使能MMU 
    */
    {
        unsigned long *ttb = (unsigned long *)0x50000000;
        unsigned long vaddr, paddr;
    
        vaddr = 0xA0000000;
        paddr = 0x7f000000;
        *(ttb + (vaddr >> 20)) = (paddr & 0xFFF00000) | MMU_SECDESC;
    
        vaddr = 0x50000000; /* 映射内存 */
        paddr = 0x50000000;
        while (vaddr < 0x54000000)
        {
            *(ttb + (vaddr >> 20)) = (paddr & 0xFFF00000) | MMU_SECDESC_WB;
            vaddr += 0x100000;  /* 每一个表项只能映射1M */
            paddr += 0x100000;
        }
        
    }
    
    
    void mmu_init()
    {
       __asm__(
        
        /*设置TTB 写入cp15的c2中*/
        "ldr    r0, =0x50000000\n"                  
        "mcr    p15, 0, r0, c2, c0, 0\n"    
        
        /*不进行权限检查 域的访问权限取决于cp15的c3寄存器*/
        "mvn    r0, #0\n"                   
        "mcr    p15, 0, r0, c3, c0, 0\n"    
        
        
       /*使能MMU*/
        "mrc    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    
        "orr    r0, r0, #0x0001\n"          
        "mcr    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    
        : 
        : 
      );
    }
    
    int gboot_main()
    {
        create_page_table();
        mmu_init();
        
        *(GPKCON) = 0x1111;
        *(GPKDAT) = 0xe;
        
        return 0;    
    }

转载于:https://www.cnblogs.com/chd-zhangbo/p/5284966.html

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