1、内存管理单元MMU,1,主,要,的,功,能,1.管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路,2.负责虚拟地址映射为物理地址,3.提供硬件机制的内存访问授权,地址范围：由CPU的位数决定，例如一个32位的CPU，它的地址范围是00xFFFFFFFF （4G),1,相关概念,分页机制：虚拟地址空间划分成称为页（page）的单位，而相应的物理地址空间也被进行划分，单位是页帧(frame).页和页帧的大小必须相同。,TLB和地址转换表,2,相关概念,1. TLB(translation lookaside buffer) 转换遍历缓存。 TLB是MMU的核心部件，它存储少量的虚拟地址与物理地址的转换关系，它
2、其实是物理内存区的一小段内存。TLB是位于内存中的页表的cache，如果没有TLB，则每次取数据都需要两次访问内存,即查页表获得物理地址和取数据. 2. 地址转换表。 当TLB中没有缓冲对应的地址转换关系时，需要查找这个地址转换表，找到虚拟地址与物理地址的对应关系。在大多数处理器中，这个转换表为多级页表，比如386里面的页目录表和页表,将线性地址映射为物理地址,2,功能说明,现代的多用户多进程操作系统，需要MMU，才能达到每个用户进程都拥有自己独立的地址空间的目标。使用MMU,操作系统划分出一段地址区域，在这块地址区域中，每个进程看到的内容都不一定一样。例如 WINDOWS操作系统将地址范围4
3、M-2G划分为用户地址空间，进程A在地址0X400000（4M）映射了可执行文件，进程B同样在地址0X400000（4M）映射了可执行文件，如果A进程读地址0X400000，读到的是A的可执行文件映射到RAM的内容，而进程B读取地址0X400000时，则读到的是B的可执行文件映射到RAM的内容。,将线性地址映射为物理地址,2,功能说明,CP15寄存器介绍与MMU有关的寄存器,CP15的C8寄存器用来控制清除TLB的内容，是只写寄存器，读操作将产生不可预知的后果。CP15的C10寄存器用于控制TLB内容锁定。如果系统中包含独立的指令TLB和数据TLB，那么对应于数据TLB和指令TLB分别有一个独
4、立的TLB内容锁定寄存器，用来选择其中的某个寄存器,CP15寄存器介绍与MMU有关的寄存器,ARMMMU硬件采用2级页表结构：一级页表（L1）和二级页表（L2）,3,MMU的页表,一级页表支持4种类型的页表项-由bit1:0决定： 1.1MB段转换项；（指向一个1MB的存储段） 2.指向L2细页表的目录项；（包含一个L2细页表首地址的指针，同时包含L1表项代 表的1MB虚存段的域信息。细页表必须与4KB的倍数地址对齐） 3.指向L2粗页表的目录项；（粗页表必须与1KB的倍数地址对齐） 4.产生中止异常的错误项 一级页表两大类：1.指向第一级页表（L2页表）的基地址2.直接指向1MB的物理内存
5、L1主页表既可作为L2页表的页目录，也可作为用于转换1MB虚拟页（称为一段）的普通页表 L1页表中每个表项可以覆盖1MB的内存，由于有4096K个选项（item），所以总计可以覆盖4096K*1MB=4GB的内存空间。,3,MMU的页表,L1每种页表的结构,ARMMMU硬件采用2级页表结构：一级页表（L1）和二级页表（L2）,3,MMU的页表,二级页表有4种类型的页表项）-由bit1:0决定： 1.定义64KB页帧属性的大（large）页表项；（包含一个64KB物理存储块的基地址，同时还包含4组权限位域，以及页的cache和写缓冲器属性。每一组访问权限位域代表虚存页的1/4，这些页表项可以看成
6、是16KB子页，以更好的控制64KB页的访问权限）。 2.定义4KB页帧属性的小（small）页表项； 3.定义1KB页帧属性的微（tiny）页表项； 4.访问时产生页错中止异常的错误页表项。 （注意区别大页，小页，微页和粗页表，细页表） 一个L2粗页表有256（1MB/4KB）个页表项,占用1KB的主存空间，每个页表项将一个4KB的虚拟存储块转换成一个4KB的物理存储块。粗页表支持4KB或64KB的页，页表项包含的是4KB或64KB的页帧的首地址。如果转换的是一个64KB的页，对于每个64KB的页，同一个页表必须在页表中重复16次。 一个L2细页表有1024（1MB/1KB）个页表项,占用4
7、KB的主存空间，每个页表项将一个1KB的虚拟存储块转换成一个4KB的物理存储块。细页表支持1KB,4KB或64KB的页，页表项包含的是1KB,4KB或64KB的页帧的首地址。,3,MMU的页表,L2每种页表的结构,页表：存在内存中的地址转换表，页表由一个个条目(描述符)组成 条目：每个条目存储了一段虚拟地址对应的物理地址及其访问权限，或者下一级页表地 页号：从页表基址开始，每页的索引号 页内偏移：某一页的内部偏移地址条目也称为“描述符”(Descriptor)：段描述符，大页描述符，小页描述符，极小页描述符-它们保存段、大页、小页或极小页的起始物 地址；粗页表描述符、细页表描述符-他们保存二级
8、页表的物理地址转换过程如下: (1) 根据给定的虚拟地址找到一级页表中的条目 (2)如果此条目是段描述符，则返回物理地址，转换结束 (3)如果此条目是二级页表描述符，继续利用虚拟地址在二级页表中找到下一个条目; (4)如果这第二个条目是页描述符，则返回物理地址，转换结束; (5)其他情况出错,5,转换过程,5,转换过程,3,转换过程,单步搜索-当L1页表用于转换一个1MB的段时（搜索1MB的页），其页表项（PTE）包含的就是物理存储器中1MB页帧（page frame）的首地址。,3,转换过程,两步搜索-搜索大小为1KB、4KB、16KB、64KB的页。一级页表存放的是二级页表的目录，二级页表
9、才是存放转换表的。L1页表作为页目录时，其页表项（PTE）包含的就是1MB虚拟空间的L2粗（coarse）页表或L2细（fine）页表的指针,3,转换过程,只有一级页表的情况：第一个MVA 第二个是页表基址寄存器（c2）,3,转换过程,保存在粗页表中的大页地址转换过程：,3,转换过程,保存在粗页表中的小页地址转换过程：,3,转换过程,保存在粗页表中的极小页地址转换过程：,地址转换失败时产生的异常和处理,4,MMU异常处理,1） TLB异常：如果试图访问没有在 MMU的 TLB中映射的内存地址，会触发这个异常。在支持虚拟内存的操作系统中，这一般会触发内存的页面倒换，系统的 Exception H
10、andler会将所需要的内存页从虚拟内存中调入物理内存，并更新相应的 TLB表项。 2）地址对齐异常：如果试图访问一个非对齐的地址，例如 lw/sw指令的地址非 4字节对齐，或 lh/sh的地址非 2字节对齐，就会触发这个异常。一般地，操作系统在 Exception Handler中对这个异常的处理，是分两次读取 /写入这个地址。虽然一般的操作系统内核都处理了这个异常，最后能够完成期待的操作，但是由于会引起用户态到内核态的切换，以及异常的退出，当这样非对齐操作较多时会严重影响程序的运行效率。因此，编译器在定义局部和全局变量时，都会自动考虑到对齐的情况，而程序员在设计数据结构时，则需要对对齐做特别的斟酌。但并不是所有的处理器或者操作系统支持非对其访问的。 3）访问冲突： TLB命中，地址转换成功，但是当前处理器的模式的访问权限和该页表的权限不符合，因此导致该异常。,谢谢,
