FS2410 開(kāi)發(fā)板上啟用 MMU 實(shí)現虛擬內存管理

FS2410 開(kāi)發(fā)板上的 ARM 核心為 ARM920T， ARM920T 代表著(zhù)什么呢? 其實(shí)

ARM920T = ARM9 core + MMU + Cache，也就是說(shuō) ARM920T 為實(shí)現虛擬內存管理提供了硬件

條件，這個(gè)硬件條件就是 MMU -- 內存管理單元。前面的實(shí)驗我們程序里的地址都是直接對應物理地

址，也就是說(shuō)虛擬地址等同于物理地址，而今借助 MMU 我們可以實(shí)現虛擬內存管理，程序里面的地址

不再被直接送到地址總線(xiàn)，而是先通過(guò) MMU，由 MMU 來(lái)實(shí)現虛地址到物理地址的映射。這有什么意義

呢?想象有這么兩個(gè)程序，它們有相同的虛擬地址，但由于運行時(shí)其虛地址分別被映射到不同的物理地址

，所以它們各行其道、和平共處，而不會(huì )產(chǎn)生沖突...有了 MMU 的支持我們可以設計出高級的作業(yè)系統。

二、目的

如何啟用 MMU, 并實(shí)現虛擬地址到物理地址映射正是這次實(shí)驗的目的。呵呵，你也許已經(jīng)迫不及待...

那現在我們就去探個(gè)究竟!

三、代碼分析

程序的整個(gè)執行流程都體現在 start.S 文件里(以前不是 head.s文件嗎? 呵呵，我把以前的代碼進(jìn)

行了重構，現在代碼看上去更清析--好的架構是很重要的，更便于以后的擴充)，start.S里調用的函數有的

是在 .c 文件實(shí)現的，必要時(shí)我會(huì )做相應解釋。

1 .text

2 .global _start

3 _start:

4 b reset

5 NOP

6 NOP

7 NOP

8 NOP

9 NOP

10 ldr pc, handle_irq_addr

11 NOP

12 handle_irq_addr:

13 .long handle_irq

14 reset:

15 ldr r0, =0x53000000 @ Close Watch-dog Timer

16 mov r1, #0x0

17 str r1, [r0]

18

19@ init stack

20ldr sp,=4096

21

22@ disable all interrupts

23mov r1, #0x4A000000

24mov r2, #0xffffffff

25str r2, [r1, #0x08]

26ldr r2, =0x7ff

27str r2, [r1, #0x1c]

28

29bl memory_setup @ Initialize memory setting

30bl flash_to_sdram @ Copy code to sdram

31

32ldr pc, =run_on_sdram

33 run_on_sdram:

34ldr sp, =0x33000000

35 bl init_mmu_tlb @ setup page table

36 bl init_mmu @ MMU enabled

37

38msr cpsr_c, #0xd2 @ set the irq mode stack

39ldr sp, =0x31000000

40msr cpsr_c, #0xdf @ set the system mode stack

41ldr sp, =0x32000000

42bl init_irq

43msr cpsr_c, #0x5f @ set the system mode open the irq

44

45ldr sp, =0x33000000 @ Set stack pointer

46bl main

47 loop:

48b loop

(1) 設置中斷跳轉指令

可以看到程序 4~13 行用來(lái)設置中斷跳轉指令，目前我們只實(shí)現了響應 IRQ 中斷的代

碼，所以在第 10 行處放了一條 ldr 加載指令，它的意思是當發(fā)生 IRQ 中斷時(shí)，把

用于響應 IRQ 中斷的函數 handle_irq 的地址加載進(jìn) pc 寄存器讓程序跳轉那里進(jìn)

行相應處理

(2) 關(guān)閉看門(mén)狗，程序第 15~17 行

(3) 初始化堆棧寄存器體現在第 20 行，之所這么做因為下面會(huì )調用一些 C 函數，而 C函

數里的變量當然要保存在堆棧里了

(4) 暫時(shí)不響應所有中斷: 22~27 行

(5) 第 29 行，初始化內存(內存在這里就是 SDRAM) 慢著(zhù)...程序不是已經(jīng)運行在內存里

了嗎? 非也，準確點(diǎn)說(shuō)是運行在 SRAM 里。ARM 啟動(dòng)時(shí)會(huì )將 Nand Flash(相當于硬

盤(pán))里前 4K 代碼加載進(jìn) SRAM 里并運行之。那程序大于 4K 怎么辦? 呵呵，這正是

下一點(diǎn)要說(shuō)明的

(6) 第 30 行，程序自身到內存的般移。我們的程序大于 4K, 只靠 SRAM 的那可憐的 4K

是運行不開(kāi)的

(7) 第 32~33 行，跳轉到 SDRAM 里執行。我們的代碼已經(jīng)搬到內存了，64M 的空間夠用

的了

(8) 第 34~36 行，設置頁(yè)表，啟用 MMU。這是今天的主角。函數

init_mmu_tlb

init_mmu

定義在 mmu.c 文件里，我們去看看這個(gè)文件里有些什么?

1 /* init MMU page table*/

2 void init_mmu_tlb() {

3 unsigned long vm_addr, idx;

4 unsigned long *tb_base = (unsigned long *)MMU_TBL_BASE;

5

6 for (vm_addr = MEM_START; vm_addr < MEM_END; vm_addr += PAGE_SIZE) {

7 idx = vm_addr >> 20;

8 /* entry: section base, AP=0b11, domain=0b00,cached,write-through*/

9 *(tb_base + idx) = vm_addr|(0x3<<10)|(0<<5)|(1<<4)|(1<<3)|0x02;

10 }

11

12 /* set IO mapped-memory addr for function register*/

13 for (vm_addr = MEM_IO_MAPPED_START; vm_addr < MEM_IO_MAPPED_END; vm_addr += PAGE_SIZE) {

14 idx = vm_addr >> 20;

15 /* entry: section base, AP=0b11, domain=0b00, NCNB*/

16 *(tb_base + idx) = vm_addr|(0x03<<10)|(0<<5)|(1<<4)|0x02;

17 }

18

19 /*

20 * exception vectors

21 * entry: AP=0b11, domain=0b00, cached, write-through

22 */

23 *(tb_base + 0x00000000) = (0x00000000)|(0x03<<10)|(0<<5)|(1<<4)|(1<<3)|0x02;

24 *(tb_base + (0xffff0000>>20)) = VECTORS_PHY_BASE|(0x03<<10)|(0<<5)|(1<<4)|(0<<3)|0x02;

25 }

26

27 void init_mmu() {

28 unsigned long ttb = (unsigned long)MMU_TBL_BASE;

29 __asm__(

30 "mov r0, #0n"

31

32 /* disable ICache, DCache*/

33 "mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0n"

34

35 /* clear wirte buffer*/

36 "mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4n"

37

38 /* disable ICache, Dcache, TLBs*/

39 "mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0n"

40

41 /* load page table pointer*/

42 "mov r4, %0n"

43 "mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0n"

44

45 /*

46* write domain id (cp15_r13)

47 * domain=0b11, manager mode, no check for permission

48*/

49 "mvn r0, #0n"

50 "mcr p15, 0, r0, c3, c0, 0n"

51

52 /* set control register*/

53 "mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0n"

54

55 /* clear out unwanted bits*/

56 "ldr r1, =0x1384n"

57 "bic r0, r0, r1n"

58

59/*

60 * turn on what we want

61 * base location of exception = 0xffff0000

62*/

63 "orr r0, r0, #0x2000n"

64 /* fault checking enabled*/

65 "orr r0, r0, #0x0002n"

66 #ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_ON

67 "orr r0, r0, #0x0004n"

68 #endif

69 #ifndef CONFIG_CPU_ICACHE_ON

70 "orr r0, r0, #0x1000n"

71 #endif

72 /* MMU enabled*/

73 "orr r0, r0, #0x0001n"

74

75 /* write control register*/

76 "mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0n"

77 : /* no output*/

78 : "r"(ttb));

79 }

程序第 1~25 行是函數 init_mmu_tlb 的實(shí)現。其實(shí)就是建立一級頁(yè)表。s3c2410 有四

種內存映射模式: Fault、Coarse Page、Section、Fine Page. 為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)我們用

Section 模式。ARM920T 是 32 位的 CPU，其虛擬地址空間為 2^32 即 4G。 我們用

Section 模式來(lái)劃分這 4G 址址空間，每一個(gè) Section 大小為 1M，這樣就可得到 4K

個(gè) Section。怎樣管理這些 Section 呢?通過(guò)一張表來(lái)記錄它們，而這張表被稱(chēng)做頁(yè)表。

在頁(yè)表里，用 4 個(gè)字節來(lái)記錄一個(gè) Section 的信息?？偣灿?4K 個(gè) Section，這樣就

要花費 4x4K = 16K 的內存。這用來(lái)描述 Section 的 4 個(gè)字節也有個(gè)形象的名字，叫

作描述符。描述符的結構又是什么樣的呢。來(lái)看一下:

Section base address: 段基地址

AP: Access Permission 訪(fǎng)問(wèn)控制位

Domain: 訪(fǎng)問(wèn)控制器的索引

C: 被置位時(shí)為 write-through (WT)模式

B: 被置位時(shí)為 write-back (WB)模式

s3c2410 的 SDRAM 為 64M，其物理地址范圍是 0x30000000~0x33ffffff，可劃分成

64 個(gè) Section。我們要實(shí)現虛址到物理地址的映射，虛地址是如何被轉換的呢？其實(shí) MMU

將虛地址分成兩部分: 索引(index) 和 偏移(offset)。index 就是虛地址的高 12 位,

偏移就是虛地址的低 20 位, MMU 通過(guò) index 在頁(yè)表里取到相應描述符，從描述符里取

到對應 Section 的基地址，再由這個(gè)基地址加上偏移 offset 來(lái)找出真正的物理地址。

明白了地址映射的基本原理，我們來(lái)分析上面的代碼:

第 6~13 行令 SDRAM 的虛地址和物理地址相等，從 0x30000000 至 0x33ffffff

第 12~17 行設置特殊功能寄存器的虛地址，也讓它們的虛地址與物理地址相等

第 23~24 行設置中斷向量的虛地址，其中高端中斷向量地址 0xffff0000 對應到物理

地址0x33f00000

代碼中有幾個(gè)常數，定義如下:

#define MEM_START 0x30000000UL

#define MEM_END 0x34000000UL

#define PAGE_SIZE 0x00100000UL /* page size: 1M*/

#define MEM_IO_MAPPED_START 0x48000000UL

#define MEM_IO_MAPPED_END 0x60000000UL

#define MMU_TBL_BASE 0x30000000UL

#define VECTORS_PHY_BASE 0x33f00000UL

為了理解第 27~79 行的內聯(lián)匯編到底做了些什么，我們先來(lái)了解一下協(xié)處理器:

在基于 ARM 的嵌入式應用系統中，存儲系統通過(guò)是通過(guò)系統控制協(xié)處理器 CP15 來(lái)完

成的。如何設置/讀取協(xié)處理器的寄存器呢?借助 MCR/MRC 指令。例如:

MCR P15, 0, R4, C1, C0, 0

將寄存器 R4 中的數據傳送到協(xié)處理器 CP15 的寄存器 C1 中，其中 R4 為 ARM 寄存

器,存放源操作數; C1,C0 為協(xié)處理器寄存器,為目的寄存器; 操作碼1為0,操作碼2為0

相應的, MRC 指令將協(xié)處理器的寄存器中的數值傳送到 ARM 處理器的寄存器中。

好了，我們來(lái)分析上面的內聯(lián)匯編代碼:

第 32~33 行使數據Cache 和 指令Cache 無(wú)效。呵呵, 你沒(méi)明白過(guò)來(lái)? 其中原由如下：

CP15 中的寄存器 C7 用于控制 cache 和寫(xiě)緩沖區。它是一個(gè)只寫(xiě)的寄存器，使用 MCR 指令

來(lái)寫(xiě)該寄存器，具體格式如下:

MCR P15, 0, , , ,

其中, 中為將寫(xiě)入 C7 中的數據; , 的不同組合決定執行不同的操作:

----------------------------------------------------------------------------------

含義 數據

----------------------------------------------------------------------------------

C0 4 等待中斷激活0

C5 0 使用無(wú)效整個(gè)Cache 0

C5 1 使無(wú)效指令Cache 中的某塊 虛地址

C5 2 使無(wú)效指令Cache 中的某塊 組號/組內序號

C5 4 清空預取緩沖區0

C5 6 清空整個(gè)跳轉目標Cache 0

C5 7 清空跳轉目標Cache中的某塊 生產(chǎn)商定義

C6 0 使無(wú)效整個(gè)數據Cache 0

C6 1 使無(wú)效數據Cache 中的某塊 虛地址

C6 2 使無(wú)效數據Cache 中的某塊 組號/組內序號

C7 0 使數據Cache 和指令Cache 無(wú)效 0

C7 1 使無(wú)效整個(gè)Cache 中的某塊 虛地址

C7 2 使無(wú)效整個(gè)Cache 中的某塊 組號/組內序號

C8 2 等待中斷激活 0

C10 1 清空數據Cache 中某塊虛地址

C10 2 清空數據Cache 中某塊組號/組內序號

C10 4 清空寫(xiě)緩沖區0

C11 1 清空整個(gè)Caceh 中某塊虛地址

C11 2 清空整個(gè)Caceh 中某塊組號/組內序號

C13 1 預取指令Cache 中某塊虛地址

C14 1 清空并使無(wú)效數據Cache中某塊虛地址

C14 2 清空并使無(wú)效數據Cache中某塊組號/組內序號

C15 1 清空并使無(wú)效整個(gè)Cache中某塊虛地址

C15 2 清空并使無(wú)效整個(gè)Cache中某塊組號/組內序號

----------------------------------------------------------------------------------

第 35~36 行: 清空寫(xiě)緩沖區

第 38~39 行，使DCache, ICache 及頁(yè)表的內容無(wú)效。系統控制協(xié)處理器 CP15 的寄存器 C8就

是用來(lái)控制清除 TLB內容相關(guān)操作的。指令格式如下:

MCR P15, 0, , , ,

其中 中為將寫(xiě)入 C8中的數據; , 的不同組合決定指令執行不同的操作

----------------------------------------------------------------------------------

指令 含義

----------------------------------------------------------------------------------

MCR P15,0,Rd,C8,C7,0 0b0000 0b0111 0 DCache,ICache 無(wú)效

MCR P15,0,Rd,C8,C7,1 0b0000 0b0111 虛地址 整個(gè)Cache 中單個(gè)地址變換條目無(wú)效

MCR P15,0,Rd,C8,C5,0 0b0000 0b0101 0 整個(gè)Cache無(wú)效

MCR P15,0,Rd,C8,C5,1 0b0000 0b0101 虛地址 指令Cache 中單個(gè)地址變換條目無(wú)效

MCR P15,0,Rd,C8,C6,0 0b0000 0b0110 0 整個(gè)數據Cache無(wú)效

MCR P15,0,Rd,C8,C6,1 0b0000 0b0110 虛地址 數據Cache 中單個(gè)地址變換條目無(wú)效

----------------------------------------------------------------------------------

第 41~43 行:加載頁(yè)表的首地址到 CP15 協(xié)處理器的寄存器 C2

第 45~53 行:設置訪(fǎng)問(wèn)控制權限。協(xié)處理器 CP15 中 C3 為 DOMAIN ACCESS CONTROL REGISTER,

該寄存器有效位為32，被分成16個(gè)區域，每個(gè)區域由兩個(gè)位組成，含義如下:

00：當前級別下，該內存區域不允許被訪(fǎng)問(wèn)，任何的訪(fǎng)問(wèn)都會(huì )引起一個(gè) domain fault

01：當前級別下，該內存區域的訪(fǎng)問(wèn)必須配合該內存區域的段描述符中AP位進(jìn)行權檢查

10：保留狀態(tài)

11：當前級別下，對該內存區域的訪(fǎng)問(wèn)都不進(jìn)行權限檢查

注意第 49 行我們用的是 "mvn r0, #0" 而非 "mov r0, #0"

第 59~76 行, 設置并啟用 MMU。這幾行代碼主要是設置了 CP15 的寄存器 C1。C1 是一個(gè)控制寄

存器它包括以下功能:

禁止/使能 MMU 以及其它的與存儲系統相關(guān)的功能

配置存儲系統以及 ARM 處理器中的相關(guān)部分的工作方式

來(lái)看一下 C1 寄存器具體是什么樣子:

各控制位含義如下表:

----------------------------------------------------------------------------------

C1中的控制位 含義

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M 禁止/使能 MMU

A 禁止/使能地址對齊檢查功能

C 禁止/使能整個(gè) Cache

W 禁止/使能寫(xiě)緩沖

P 32/26地址模式

D 禁止/使能26地址異常檢查

L 早期/后期中止模型

B little-endian/big-endian

S 在 MMU 啟用時(shí)用作系統保護

R 在 MMU 啟用時(shí)用作系統保護

F 由生產(chǎn)商定義

Z 禁止/使能跳轉預測指令

I 禁止/使能 Cache

V 低端/高端異常中斷向量表

RR 對系統中的 Cache 選擇淘汰算法

L4 提供對以前的 ARM 的版本兼容

bits[31:16] 保留

----------------------------------------------------------------------------------

第 77~79 行: 這是使用嵌入匯編的方式，第 78 行的 "r"(ttb) 表示變量 ttb 的值賦給一個(gè)寄

存器作為輸入參數，這個(gè)寄存器由編譯器自動(dòng)分配。我們看到第 42 行的 "%0" 被用來(lái)表示這個(gè)

寄存器。

......呵呵，總算講完 MMU 這一塊了，程序不多，可引出的內容不少!

(9) 第 38~48 行設置 irq 模式和 system 模式下的堆棧寄存器，然后程序運行在 system 模式下，

調用 main 函數后返回, 循環(huán)并等待中斷發(fā)生......

這就是 start.S 程序的整個(gè)流程，關(guān)鍵是 MMU 如何設置和啟用。其它代碼都有詳細的注釋。我在下