S3C2440存儲控制器和MMU淺析

如果大家寫(xiě)過(guò)S3C2440的ARM裸機程序都應該知道通常SDRAM的起始地址是0X30000000，但是大家有沒(méi)有想過(guò)為什么呢？下面我將給大家做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。

查S3C2440的手冊可知S3C2440可尋址1G的地址范圍，但是S3C2440的地址線(xiàn)只有27根，理論上只能尋址2的27次方等于128M的地址范圍。于是S3C2440通過(guò)一個(gè)叫BANK的東東解決了這個(gè)問(wèn)題。S3C2440引出了8根BANK線(xiàn)（對應nGCS0~ nGCS7）,通過(guò)這個(gè)8根線(xiàn)來(lái)選通和關(guān)閉不同的存儲器，這樣S3C2440最多就可以連接8個(gè)128M的存儲器，只要在某一時(shí)刻只選通一個(gè)BANK就可以實(shí)現1G的尋址空間每個(gè)BANK有個(gè)地址，對該BANK地址的訪(fǎng)問(wèn)實(shí)際上就是選通該BANK，于是ARM核只要發(fā)出一個(gè)地址，然后S3C2440的儲存控制器只要把該地址解釋成兩部分：一部分是BANK地址一部分是連接到該BANK存儲器內部的地址就可以訪(fǎng)問(wèn)了。

而作為32位的CPU，可以使用的地址范圍理論上可以達到2的32次方等于4G，除去上述的1G地址空間，還有一部分是CPU內部寄存器的地址，剩下的地址空間沒(méi)有使用。

下面我們來(lái)看到S3C2440存儲器的地址空間分布圖

左邊的是表示CPU從NOR FLASH啟動(dòng)時(shí)的地址空間圖，右邊是CPU從NAND FLASH啟動(dòng)時(shí)的地址空間圖。從圖中可以看出SDRAM接在BANK6上面，地址為0X30000000，這就解釋了開(kāi)始最開(kāi)始的那個(gè)問(wèn)題。問(wèn)題又來(lái)了為什么CPU從NAND和NOR啟動(dòng)時(shí)地址空間不同？這是因為NOR是線(xiàn)性結構，跟普通的內存差不多，它接在BANK0上。而NAND則是另外一種結構，S3C2440有專(zhuān)用的NAND控制器和地址線(xiàn)來(lái)連接，它不能接在BANK0上。CPU啟動(dòng)時(shí)必定從0地址開(kāi)始執行程序，而從NAND啟動(dòng)時(shí)，0地址沒(méi)有存儲器，那CPU怎么辦呢？于是就出現了一種叫“起步石”（stepping stone）的東東,它是S3C2440內部的一塊4K的存儲器，當從NAND啟動(dòng)時(shí)，0地址線(xiàn)會(huì )連接到起步石上面，同時(shí)CPU會(huì )通過(guò)內部的硬件將NAND FLASH開(kāi)始的4K數據復制到起步石里面。起步石里面的程序一般設計為對SDRAM進(jìn)行初始化，然后將NAND里面的部分程序復制到SDARM，然后跳到SDRAM開(kāi)始執行程序。所以當做U-BOOT移植使其支持從NAND的啟動(dòng)時(shí)，需要對NAND的前4K程序做處理。

下面我們再來(lái)看看S3C440存儲控制器一般所接外設的訪(fǎng)問(wèn)地址和部分寄存器的訪(fǎng)問(wèn)地址

二、S3C2440MMU

1.MMU的作用

我們再第一部分討論的全部都是物理地址，注意不要與這部分要將的虛擬地址給混淆起來(lái)。

內存管理單元（Memory ManagerUnit）簡(jiǎn)稱(chēng)MMU。它負責將虛擬地址轉換成物理地址，然后傳給上部分介紹的存儲管理器進(jìn)行尋址。

現代的多用戶(hù)多進(jìn)程操作系統通過(guò)MMU使各個(gè)用戶(hù)進(jìn)程都有自己的獨立的地址空間：地址映射功能功能使的個(gè)進(jìn)程擁有“看起來(lái)”一樣的地址空間，而內存訪(fǎng)問(wèn)權限的檢查可以保護每個(gè)進(jìn)程所用的內存不會(huì )被其他進(jìn)程破壞。

我來(lái)打個(gè)蹩腳的例子。甲同學(xué)（進(jìn)程甲）去一個(gè)圖書(shū)管理員那兒去借名為“內存”的一本書(shū)，說(shuō)他7點(diǎn)鐘要用。圖書(shū)管理員給甲同學(xué)一個(gè)牌子上面寫(xiě)著(zhù)哪個(gè)層樓房哪個(gè)房間有這本書(shū)，不過(guò)這塊牌子只能7點(diǎn)鐘去取書(shū)，且只能借三個(gè)小時(shí)（權限）,而乙同學(xué)同樣要借這本書(shū)不過(guò)是12點(diǎn)，圖書(shū)館同樣給乙同學(xué)一塊牌子，不同的時(shí)這塊牌子只能12點(diǎn)鐘去取書(shū)也只能借三個(gè)小時(shí)。結果是甲乙同學(xué)都借到了這本書(shū)，他們都感覺(jué)擁有了這本書(shū)，在他們擁有這本書(shū)的期間不會(huì )被其他同學(xué)打擾。實(shí)際上這里的同學(xué)就代表進(jìn)程，圖書(shū)管理員代表是內核，牌子代表的是虛擬地址，書(shū)代表實(shí)際的內存，而MMU完成的工作就是拿到同學(xué)的牌子幫同學(xué)找到書(shū)的過(guò)程。

虛擬地址最終要轉成物理地址才能讀寫(xiě)實(shí)際的數據，這通過(guò)將虛擬地址空間、物理地址空間劃分為一個(gè)同樣大小的一塊塊小空間，然后為著(zhù)兩類(lèi)小空間建立映射空間，有可能多塊虛擬地址映射到同一塊物理地址空間，或者有些虛擬地址空間映射具體物理地址空間上去。啟動(dòng)MMU后，CPU對外發(fā)出虛擬地址，然后MMU將虛擬地址轉成物理地址再進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

2.虛擬地址空間到物理空間的轉換過(guò)程

在A(yíng)RM CPU中使用頁(yè)表的方式進(jìn)行轉換。linux內核一般使用兩級頁(yè)表的方式。頁(yè)表是個(gè)什么東東，他就像我們的書(shū)上的目錄，有主目錄，次目錄。當我們要找一個(gè)知識點(diǎn)的時(shí)候先找到主目錄，然后再找到次目錄再找到相應的知識點(diǎn)。每一個(gè)進(jìn)程都會(huì )在內存里面創(chuàng )建一個(gè)目錄，目錄的存放地址保存起來(lái)。當需要訪(fǎng)問(wèn)目錄時(shí)，就會(huì )將目錄放到CPU的一個(gè)專(zhuān)用寄存器里面，然后MMU讀取這個(gè)寄存器里面的值就會(huì )幫我們找到我們要訪(fǎng)問(wèn)的物理地址。

頁(yè)表是怎樣建立的呢？

實(shí)際上它就是在內存的一個(gè)地址內存放了第一級目錄的內存地址，然后在第一個(gè)級的目錄的內存內又存放了實(shí)際的物理地址。