ARM開(kāi)發(fā)步步深入之MMU初窺

　　實(shí)驗目的：?jiǎn)⒂?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/MMU">MMU，映射SDRAM的地址空間，操作虛擬地址實(shí)現“點(diǎn)燈大法”，借此掌握MMU的使用。

　　實(shí) 驗環(huán)境及說(shuō)明：恒頤S3C2410開(kāi)發(fā)板H2410。H2410核心板擴展有64MB的K4S561632 SDRAM(4M*16bit*4BANK)，地址范圍是0x30000000~0x33FFFFFF。GPIO端口的地址范圍是 0x56000000~0X560000B0。

　　實(shí) 驗思路：開(kāi)發(fā)板上電啟動(dòng)后，自動(dòng)將NandFlash開(kāi)始的4K數據復制到SRAM中，然后跳轉到0地址開(kāi)始執行，然后初始化存儲控制器SDRAM，把 2K后的代碼從SRAM中復制到SDRAM中(存放在0x30004000，前16KB用來(lái)存放頁(yè)表)、設置頁(yè)表、啟動(dòng)MMU實(shí)現虛擬地址映射GPIO寄 存器和SDRAM，最后跳轉到SDRAM中(地址0xB0004000)運行。重新設置棧指針，跳到點(diǎn)燈代碼的入口點(diǎn)實(shí)現點(diǎn)燈操作。

　　知識掌握：MMU地址轉換、內存訪(fǎng)問(wèn)權限檢查、TLB及Cache的使用

　　一、MMU地址轉換：

　　1. 首先弄清除為什么要使用MMU納?MMU即內存管理單元，直白一點(diǎn)的講，就像食堂的餐具，所有的學(xué)生一起吃飯時(shí)不夠用，但食堂又不想再出資購買(mǎi)新的餐具 (原因很明顯：一方面要成本，另一方面又占地方。這就像增加內存一樣)，那么有沒(méi)有解決辦法?根據以往經(jīng)驗得知不可能全學(xué)校的學(xué)習一起都到食堂吃飯，于是 食堂就找幾個(gè)人負責餐具的管理(相當于MMU)，他們一方面發(fā)放餐具，保證來(lái)的同學(xué)有餐具可用，另一方面又回收用完的餐具(這就相當于虛擬地址到物理地址 之間建立了一個(gè)映射一樣，內存還是那么多，但從任意單個(gè)程序角度都好像用不完一樣)。當然如果有同學(xué)一個(gè)人拿好幾套餐具肯定不允許的(這就相當于內存的權 限檢查)。MMU在地址轉換過(guò)程中涉及到三種地址：(VA---Virtual Address，虛擬地址)---這個(gè)就相當于餐具存放的地方(大家都可以領(lǐng)到餐具)。CPU核心看到和用到的只是虛擬地址VA，至于VA如果去對應物理 地址PA，CPU核心不理會(huì )，大家也不會(huì )去關(guān)心總共有多少餐具吧;(MVA---Modified Virtual Address，變換后的虛擬地址)---這個(gè)相當于放假的時(shí)候，人很少，只發(fā)餐具好了，用過(guò)的就不先回收了，節省人員了。Caches和MMU看不到 VA，他們利用MVA轉換得到PA，放假了回收餐具的人也不需要一直尋找用完的餐具;(PA---Physical Address,物理地址)---實(shí)際的餐具量，就那些。實(shí)際設備看不到VA、MVA，讀寫(xiě)它們使用的是物理地址PA，同學(xué)們就餐一般會(huì )領(lǐng)到餐具。

　　2. 虛擬地址到物理地址的轉換過(guò)程。ARM使用頁(yè)表來(lái)進(jìn)行轉換，S3C2410最多會(huì )用到兩級頁(yè)表，以段(Section，1M)的方式進(jìn)行轉換時(shí)只用到一級 頁(yè)表，以頁(yè)(Page)的方式進(jìn)行轉換時(shí)用到兩級頁(yè)表。頁(yè)的大小有3種：大頁(yè)(64KB)、小頁(yè)(4KB)和極小頁(yè)(1KB)。本文只是以段地址轉換過(guò)程 為例來(lái)講解一下，頁(yè)的轉換大同小異。

　　★首先有個(gè)頁(yè)表基址寄存器(位置為協(xié)處理器CP15的寄存器C2)，它里面寫(xiě)入的就是一級頁(yè)表的地址，通過(guò)讀 取它就可以找到一級頁(yè)表存放的起始位置。一級頁(yè)表的地址是16K對齊(所以[13:0]為0，使用[31:14]存儲頁(yè)表基址)。一級頁(yè)表使用4096個(gè) 描述符來(lái)表示4GB空間，所以每個(gè)描述符對應1MB的虛擬地址，存儲它對應的1MB物理空間的起始地址，或者存儲下一級頁(yè)表的地址。使用 MVA[31:20]來(lái)索引一級頁(yè)表(31-20一共12位，2^12=4096，所以是4096個(gè)描述符)，得到一個(gè)描述符，每個(gè)描述符占4個(gè)字節。

　　★ 描述符最后兩位為0B10時(shí)，即是段的方式映射。[31:20]為段基址，此描述符低20位填充0后就是一塊1MB物理地址空間的起始地址。 MVA[19:0]用來(lái)在這1MB空間中尋址。描述符的位[31:20]和MVA[19:0]構成了這個(gè)虛擬地址MVA對應的物理地址。以段的方式進(jìn)行映 射時(shí)，虛擬地址MVA到物理地址PA的轉換過(guò)程如下：①頁(yè)表基址寄存器位[31:14]和MVA[31:20]組成一個(gè)低兩位為0的32位地址，MMU利 用這個(gè)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]組成一個(gè)32位的物理地址(這就是MVA對應的PA)。

　　'700')this.width='700';if(this.offsetHeight>'700')this.height='700';" src="http://www.arm79.com/attachment/Mon_1005/73_67_c19a93f3ccea9b3.jpg" onclick="if(this.width>=700) window.open('http://www.arm79.com/attachment/Mon_1005/73_67_c19a93f3ccea9b3.jpg');" border="0" width="700">

　　'700')this.width='700';if(this.offsetHeight>'700')this.height='700';" src="http://www.arm79.com/attachment/Mon_1005/73_67_ba0dd29d824d17a.jpg" onclick="if(this.width>=700) window.open('http://www.arm79.com/attachment/Mon_1005/73_67_ba0dd29d824d17a.jpg');" border="0" width="700">

　　二、內存的訪(fǎng)問(wèn)權限檢查

　　內 存的訪(fǎng)問(wèn)權限檢查決定一塊內存是否允許讀/寫(xiě)。這由CP15寄存器C3(域訪(fǎng)問(wèn)控制)、描述符的域(Domain)、CP15寄存器C1的R/S/A位和 描述符的AP位共同決定?！坝颉睕Q定是否對某塊內存進(jìn)行權限檢查，"AP"決定如何對某塊內容進(jìn)行權限檢查。S3C2440有16個(gè)域，CP15寄存器 C3中每?jì)晌粚粋€(gè)域(一共32位)，用來(lái)表示這個(gè)域是否進(jìn)行權限檢查。

　　每?jì)晌粩祿暮x：00---無(wú)訪(fǎng)問(wèn)權限(任何訪(fǎng)問(wèn)都將導 致"Domain fault"異常);01---客戶(hù)模式(使用段描述符、頁(yè)描述符進(jìn)行權限檢查);10---保留(保留，目前相當于“無(wú)訪(fǎng)問(wèn)權限”);11---管理模 式(不進(jìn)行權限檢查，允許任何訪(fǎng)問(wèn))。"Domain"占用4位，用來(lái)表示內存屬于0-15哪一個(gè)域。

　　三、TLB和Cache

　　首先說(shuō)兩者都是利用程序訪(fǎng)問(wèn)的局部性原理，通過(guò)設置高速、小容量的存儲器來(lái)提高性能。

　　1.(TLB---Translation Lookaside Buffers，轉譯查找緩存):由于從MVA到PA的轉換需要訪(fǎng)問(wèn)多次內存，大大降低了CPU的性能，故提出TLB辦法改進(jìn)。當CPU發(fā)出一個(gè)虛擬地址 時(shí)，MMU首先訪(fǎng)問(wèn)TLB。如果TLB中含有能轉換這個(gè)虛擬地址的描述符，則直接利用此描述符進(jìn)行地址轉換和權限檢查，否則MMU訪(fǎng)問(wèn)頁(yè)表找到描述符后再 進(jìn)行地址轉換和權限檢查，并將這個(gè)描述符填入TLB中，下次再使用這個(gè)虛擬地址時(shí)就直接使用TLB用的描述符。使用TLB需要保證TLB中的內容與頁(yè)表一 致，在啟動(dòng)MMU之前，頁(yè)表中的內容發(fā)生變化后，尤其要注意。一般的做法是在啟動(dòng)MMU之前使整個(gè)TLB無(wú)效，改變頁(yè)表時(shí)，使所涉及的虛擬地址對應的 TLB中條目無(wú)效。

　　2.(Cache，高速緩存)：為提高程序的運行速度，在主存和CPU通用寄存器之間設置一個(gè)高速的、容量相對較小的存儲器，把正在執行的指令地址附近的一部分指令或數據從主存調入這個(gè)存儲器，供CPU在一段時(shí)間內使用。

　　★ 寫(xiě)數據的兩種方式：①(Write Through，寫(xiě)穿式)---任一CPU發(fā)出寫(xiě)信號送到Cache的同時(shí)，也寫(xiě)入主存，保證主存的數據同步更新。優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，但由于主存速度慢，降 低了系統的寫(xiě)速度并占用了總線(xiàn)的時(shí)間。②(Write Back，回寫(xiě)式)---數據一般只寫(xiě)到Cache，這樣可能出現Cache中的數據得到更新而主存中的數據不變(數據陳舊)的情況。此時(shí)可在Cache 中設一個(gè)標志地址及數據陳舊的信息，只有當Cache中的數據被換出或強制進(jìn)行”清空“操作時(shí)，才將原更新的數據寫(xiě)入主存響應的單元中，保證了Cache 和主存中數據一致。

　　★Cache有以下兩個(gè)操作：①(Clean，清空)---把Cache或Write buffer中已經(jīng)臟的(修改過(guò)，但未寫(xiě)入主存)數據寫(xiě)入主存。②(Invalidate，使無(wú)效)---使之不能再使用，并不將臟的數據寫(xiě)入主存。

　　★S2C2440 內置了(ICaches，指令Cache)、(DCaches，數據Cache)和(Write buffer，寫(xiě)緩存)，操作時(shí)需要用到描述符中的C位(Ctt)和B位(Btt)。①(ICaches，指令Cache)---系統剛上電或復位 時(shí)，ICaches中的內容是無(wú)效的，并且ICaches功能關(guān)閉。往Icr位(CP15協(xié)處理器中寄存器1的第12位)寫(xiě)1可以啟動(dòng)ICaches，寫(xiě) 0停止ICaches。ICaches一般在MMU開(kāi)啟后使用，此時(shí)描述符的C位用來(lái)表示一段內存是否可以被Cache。若Ctt=1，允許Cache， 否則不允許。如果MMU沒(méi)有開(kāi)啟，ICaches也可以被使用，此時(shí)CPU讀取指令時(shí)所涉及的內存都被當做允許Cache。ICaches關(guān)閉時(shí)，CPU 每次取指都要讀取主存，性能低，所以通常盡早啟動(dòng)ICaches。ICaches開(kāi)啟后，CPU每次取指時(shí)都會(huì )先在ICaches中查看是否能找到所用指 令，而不管Ctt是0還是1。如果找到成為Cache命中，找不到稱(chēng)為Cache丟失，ICaches被開(kāi)啟后，CPU的取指有如下三種情況：Cache 命中且Ctt為1時(shí)，從ICaches中取指，返回CPU;Cache丟失且Ctt為1時(shí)，CPU從主存中取指，并且把指令緩存到Cache中;Ctt為 0時(shí)，CPU從主存中取指。②(DCaches，數據Cache)---與ICaches相似，系統剛上電或復位時(shí)，DCaches中的內容無(wú)效，并且 DCaches功能關(guān)閉，Write buffer中的內容也是被廢棄不用的。往Ccr位(CP15協(xié)處理器 中寄存器1的第二位)寫(xiě)1啟動(dòng)DCaches，寫(xiě)0停止DCaches。Write buffer和DCaches緊密結合，額米有專(zhuān)門(mén)的控制來(lái)開(kāi)啟和停止它。與ICaches不同，DCaches功能必須在MMU開(kāi)啟之后才能被使用。 DCaches被關(guān)閉時(shí)，CPU每次都去內存取數據。DCaches被開(kāi)啟后，CPU每次讀寫(xiě)數據時(shí)都會(huì )先在DCaches中查看是否能找到所要的數據， 不管Ctt是0還是1，找到了稱(chēng)為Cache命中，找不到稱(chēng)為Cache丟失。

　　★使用Cache時(shí)需要保證Cache、Write buffer的內容和主存內容一致，保證下面兩個(gè)原則：①清空DCaches，使主存數據得到更新。②使無(wú)效ICaches，使CPU取指時(shí)重新讀取主存。

　　在 實(shí)際編寫(xiě)程序時(shí)，要注意如下幾點(diǎn)：①開(kāi)啟MMU前，使無(wú)效ICaches，DCaches和Write buffer。②關(guān)閉MMU前，清空ICaches、DCaches，即將“臟”數據寫(xiě)到主存上。③如果代碼有變，使無(wú)效ICaches，這樣CPU取指 時(shí)會(huì )從新讀取主存。④使用DMA操作可以被Cache的內存時(shí)：將內存的數據發(fā)送出去時(shí)，要清空Cache;將內存的數據讀入時(shí)，要使無(wú)效Cache。⑤ 改變頁(yè)表中地址映射關(guān)系時(shí)也要慎重考慮。⑥開(kāi)啟ICaches或DCaches時(shí)，要考慮ICaches或DCaches中的內容是否與主存保持一致。⑦ 對于I/O地址空間，不使用Cache和Write buffer。

　　四、MMU、TLB及Cache的控制指令

　　S3C2410除了ARM920T的CPU核心外，還有若干個(gè)協(xié)處理器，用來(lái)幫助主CPU完成一些特殊功能，對MMU、TLB及Cache等的操作就涉及到協(xié)處理器。格式如下：

　　{條件} 協(xié)處理器編碼，協(xié)處理器操作碼1，目的寄存器，源寄存器1，源寄存器2，協(xié)處理器操作碼2

　　{cond} p#,,Rd,cn,cm{,}

　　MRC //從協(xié)處理器獲得數據，傳給ARM920T CPU核心寄存器

　　MCR //數據從ARM920T CPU核心寄存器傳給協(xié)處理器

　　{cond} //執行條件，省略時(shí)表示無(wú)條件執行

　　p# //協(xié)處理器序號

　　//一個(gè)常數

　　Rd //ARM920T CPU核心的寄存器

　　cn和cm //協(xié)處理器中的寄存器

　　//一個(gè)常數

　　其中，、cn、cm、僅供協(xié)處理器使用，它們的作用如何取決于具體的協(xié)處理器。

　　示例代碼解析：

　　開(kāi) 啟MMU，并將虛擬地址0xA0000000~0xA0100000映射到物理地址0x56000000~0x56100000(GPFCON物理地址為 0x56000050，GPFDAT物理地址為0x56000054);將虛擬地址0xB0000000~0xB3FFFFFF映射到物理地址 0x30000000~0x33FFFFFF。本示例以段的方式進(jìn)行地址映射，只使用一級頁(yè)表，通過(guò)上面內容可知一級頁(yè)表使用4096個(gè)描述符來(lái)表示4G 空間(每個(gè)描述符對應1MB)，每個(gè)描述符占4字節，所以一級頁(yè)表占16KB。使用SDRAM的開(kāi)始16KB存放一級頁(yè)表，所以剩下的內存開(kāi)始地址就為 0x30004000，這個(gè)地址最終會(huì )對應虛擬地址0xB0004000(所以代碼運行地址為0xB0004000)。

　　★程序執行主要流程的示例代碼。

　　.text

　　.global _start

　　_start:

　　bl disable_watch_dog @ 關(guān)閉WATCHDOG，否則CPU會(huì )不斷重啟

　　bl mem_control_setup @ 設置存儲控制器以使用SDRAM

　　ldr sp, =4096 @ 設置棧指針，以下是C函數調用前需要設好棧

　　bl copy_2th_to_sdram @ 將第二部分代碼復制到SDRAM

　　bl create_page_table @ 設置頁(yè)表

　　bl mmu_init @ 啟動(dòng)MMU，啟動(dòng)以后下面代碼都用虛擬地址

　　ldr sp, =0xB4000000 @ 重設棧指針，指向SDRAM頂端(使用虛擬地址)

　　ldr pc, =0xB0004000 @ 跳到SDRAM中繼續執行第二部分代碼

　　halt_loop:

　　b halt_loop

　　★設置頁(yè)表。

　　void create_page_table(void)

　　{

　　/*

　　* 用于段描述符的一些宏定義：[31:20]段基址，[11:10]AP，[8:5]Domain，[3]C，[2]B，[1:0]0b10為段描述符

　　*/

　　#define MMU_FULL_ACCESS (3 << 10) /* 訪(fǎng)問(wèn)權限AP */

　　#define MMU_DOMAIN (0 << 5) /* 屬于哪個(gè)域 Domain*/

　　#define MMU_SPECIAL (1 << 4) /* 必須是1 */

　　#define MMU_CACHEABLE (1 << 3) /* cacheable C位*/

　　#define MMU_BUFFERABLE (1 << 2) /* bufferable B位*/

　　#define MMU_SECTION (2) /* 表示這是段描述符 */

　　#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)

　　#define MMU_SECTION_SIZE 0x00100000 /*每個(gè)段描述符對應1MB大小空間*/

　　unsigned long virtuladdr, physicaladdr;

　　unsigned long *mmu_tlb_base = (unsigned long *)0x30000000; /*SDRAM開(kāi)始地址存放頁(yè)表*/

　　/*

　　* Steppingstone的起始物理地址為0，第一部分程序的起始運行地址也是0， 為了在開(kāi)啟MMU后仍能運行第一部分的程序， 將0～1M的虛擬地址映射到同樣的物理地址

　　*/

　　virtuladdr = 0;

　　physicaladdr = 0;

　　/*虛擬地址[31:20]用于索引一級頁(yè)表，找到它對應的描述符，對應于(virtualaddr>>20)。段描述符中[31:20]保存段的物理地址，對應(physicaladdr & 0xFFF00000)*/

　　*(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | MMU_SECDESC_WB;

　　/*

　　* 0x56000000是GPIO寄存器的起始物理地址，GPBCON和GPBDAT這兩個(gè)寄存器的物理地址0x56000010、0x56000014， 為了在第二部分程序中能以地址0xA0000010、0xA0000014來(lái)操作GPBCON、GPBDAT，

　　* 把從0xA0000000開(kāi)始的1M虛擬地址空間映射到從0x56000000開(kāi)始的1M物理地址空間

　　*/

　　virtuladdr = 0xA0000000;

　　physicaladdr = 0x56000000;

　　*(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | MMU_SECDESC;

　　/*

　　* SDRAM的物理地址范圍是0x30000000～0x33FFFFFF， 將虛擬地址0xB0000000～0xB3FFFFFF映射到物理地址0x30000000～0x33FFFFFF上， 總共64M，涉及64個(gè)段描述符

　　*/

　　virtuladdr = 0xB0000000;

　　physicaladdr = 0x30000000;

　　while (virtuladdr < 0xB4000000)

　　{

　　*(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | MMU_SECDESC_WB;

　　virtuladdr += MMU_SECTION_SIZE;

　　physicaladdr += MMU_SECTION_SIZE;

　　}

　　}

　　★ 啟動(dòng)MMU。

　　void mmu_init(void)

　　{

　　unsigned long ttb = 0x30000000;

　　__asm__(

　　"mov r0, #0n"

　　"mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0n" /* 使無(wú)效ICaches和DCaches */

　　"mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4n" /* drain write buffer on v4 */

　　"mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0n" /* 使無(wú)效指令、數據TLB */

　　"mov r4, %0n" /* r4 = 頁(yè)表基址 */

　　"mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0n" /* 設置頁(yè)表基址寄存器 */

　　"mvn r0, #0n"

　　"mcr p15, 0, r0, c3, c0, 0n" /* 域訪(fǎng)問(wèn)控制寄存器設為0xFFFFFFFF， 不進(jìn)行權限檢查*/

　　/*

　　* 對于控制寄存器，先讀出其值，在這基礎上修改感興趣的位，然后再寫(xiě)入

　　*/

　　"mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0n" /* 讀出控制寄存器的值 */

　　/* 控制寄存器的低16位含義為：.RVI ..RS B... .CAM

　　* R : 表示換出Cache中的條目時(shí)使用的算法，0 = Random replacement;1 = Round robin replacement

　　* V : 表示異常向量表所在的位置，0 = Low addresses = 0x00000000;1 = High addresses = 0xFFFF0000

　　* I : 0 = 關(guān)閉ICaches;1 = 開(kāi)啟ICaches

　　* R、S : 用來(lái)與頁(yè)表中的描述符一起確定內存的訪(fǎng)問(wèn)權限

　　* B : 0 = CPU為小字節序;1 = CPU為大字節序

　　* C : 0 = 關(guān)閉DCaches;1 = 開(kāi)啟DCaches

　　* A : 0 = 數據訪(fǎng)問(wèn)時(shí)不進(jìn)行地址對齊檢查;1 = 數據訪(fǎng)問(wèn)時(shí)進(jìn)行地址對齊檢查

　　* M : 0 = 關(guān)閉MMU;1 = 開(kāi)啟MMU

　　*/

　　/*

　　* 先清除不需要的位，往下若需要則重新設置它們

　　*/

　　/* .RVI ..RS B... .CAM */

　　"bic r0, r0, #0x3000n" /* ..11 .... .... .... 清除V、I位 */

　　"bic r0, r0, #0x0300n" /* .... ..11 .... .... 清除R、S位 */

　　"bic r0, r0, #0x0087n" /* .... .... 1... .111 清除B/C/A/M */

　　/*

　　* 設置需要的位

　　*/

　　"orr r0, r0, #0x0002n" /* .... .... .... ..1. 開(kāi)啟對齊檢查 */

　　"orr r0, r0, #0x0004n" /* .... .... .... .1.. 開(kāi)啟DCaches */

　　"orr r0, r0, #0x1000n" /* ...1 .... .... .... 開(kāi)啟ICaches */

　　"orr r0, r0, #0x0001n" /* .... .... .... ...1 使能MMU */

　　"mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0n" /* 將修改的值寫(xiě)入控制寄存器 */

　　: /* 無(wú)輸出 */

　　: "r" (ttb) );

　　}