ARM存儲器之：存儲管理單元MMU

⑤域控制位失效

域控制位失效包括兩種類(lèi)型。一種基于段的存儲訪(fǎng)問(wèn)域控制失效。在一級描述符中包含4位的域標識符。該標識符指定了本段所屬的域，在MMU讀取一級描述符時(shí)，它檢查域訪(fǎng)問(wèn)控制寄存器c3中對應于該域的控制位，如果相應的兩位控制位為0b00，說(shuō)明該域不允許存儲訪(fǎng)問(wèn)，這時(shí)，就產(chǎn)生了基于段的存儲訪(fǎng)問(wèn)域控制失效。第二種是基于頁(yè)的存儲訪(fǎng)問(wèn)中域控制位失效。在一級描述符中包含4位的域標識符。該標識符指定了本頁(yè)所屬的域，在MMU讀取一級描述符時(shí)，它檢查域訪(fǎng)問(wèn)控制寄存器c3中對應于該域的控制位，如果相應的兩位控制位為0b00，說(shuō)明該域不允許存儲訪(fǎng)問(wèn)，這時(shí)就產(chǎn)生了基于頁(yè)的存儲訪(fǎng)問(wèn)域控制失效。

⑥訪(fǎng)問(wèn)權限失效

訪(fǎng)問(wèn)權限失效的檢查是在域控制位失效檢查時(shí)進(jìn)行的。這時(shí)如果域訪(fǎng)問(wèn)控制器中對應于該域的控制位為0b01，則要進(jìn)行相應的權限檢查。訪(fǎng)問(wèn)權限失效有兩種類(lèi)型。一種基于段的存儲訪(fǎng)問(wèn)權限控制失效，對于基于段的存儲訪(fǎng)問(wèn)，在一級描述符中包含一個(gè)兩位的訪(fǎng)問(wèn)權限控制位AP。如果字段AP標識了不允許進(jìn)行相關(guān)存儲訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，產(chǎn)出基于段的存儲訪(fǎng)問(wèn)權限控制失效。第二種是基于頁(yè)的存儲訪(fǎng)問(wèn)控制失效。對于基于頁(yè)的存儲訪(fǎng)問(wèn)，在二級描述符中定義的可能為大頁(yè)、小頁(yè)或者微頁(yè)。當二級描述符中定義的為微頁(yè)時(shí)，該二級描述符中包含一個(gè)對應于該微頁(yè)的訪(fǎng)問(wèn)控制字段AP，如果字段AP標識了不允許進(jìn)行相關(guān)的存儲訪(fǎng)問(wèn)，這時(shí)產(chǎn)生基于子頁(yè)的存儲訪(fǎng)問(wèn)權限控制失效。同樣，當二級頁(yè)表描述符中定義的為小頁(yè)或大頁(yè)時(shí)，操作過(guò)程同微頁(yè)。

（3）外部存儲訪(fǎng)問(wèn)失效

除處理器內部MMU向CPU報告錯誤外，ARM體系結構還定義了一個(gè)外部訪(fǎng)問(wèn)中斷引腳。該引腳可以用于外部存儲器向CPU訪(fǎng)問(wèn)失效異常。但是，并不是所有失效異常都可以通過(guò)這種方式報告，所以該引腳在連線(xiàn)時(shí)要非常注意。下面列舉了存儲訪(fǎng)問(wèn)操作，可以通過(guò)這種機制中止和重啟動(dòng)。

·讀操作（reads）。

·非緩存的寫(xiě)操作（unbufferedwrites）。

·一級描述符預?。╢irst-leveldescriptorfetch）。

·二級描述符預?。╯econd-leveldescriptorfetch）。

·非緩存的信號量操作（semaphoresinuncachable/unbufferablememoryareas）。

在Cache預取時(shí)，可以在任意字時(shí)終止存儲訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程。如果存儲訪(fǎng)問(wèn)發(fā)生在存儲器想要獲取的數據中，這時(shí)該存儲訪(fǎng)問(wèn)將立即被中止。如果產(chǎn)生中止的數據是在Cache預取時(shí)，從存儲器順序讀出的，那么直到這些數據被存儲器訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，該存儲訪(fǎng)問(wèn)才會(huì )被中止。

帶緩存的寫(xiě)操作不能通過(guò)這種方式向CPU報告異常。因此，在系統中標記為可外部中止的存儲區域不要進(jìn)行可緩存的寫(xiě)操作。

15.5.9快速上下文切換擴展（FCSE，FastContextSwitchExtension）

（1）快速上下文切換擴展原理

快速上下文切換擴展（FCSE，FastContextSwitchExtension）是MMU中的一個(gè)附加硬件，用于提高ARM嵌入式系統的系統性能。FCSE使得多個(gè)獨立任務(wù)可以運行在一個(gè)固定的重疊存儲空間中，而在上下文切換時(shí)，不需要清理（clean）或清除（flush）Cache和TLB。FCSE主要特征就是不需要清除Cache和TLB。

通常情況下，如果兩個(gè)進(jìn)程占有的虛擬地址空間有重疊，系統在兩個(gè)進(jìn)程之間進(jìn)行切換時(shí)，必須進(jìn)行虛擬地址到物理地址的重映射。而虛擬地址到物理地址重映射涉及到重建MMU中頁(yè)表，而且Cache及TLB中的內容都必須使無(wú)效。這樣操作將帶來(lái)巨大的系統開(kāi)銷(xiāo)，一方面重建MMU和使無(wú)效Cache及TLB的內容需要很大的開(kāi)銷(xiāo)，另一方面重建Cache和TLB內容也需要很大的開(kāi)銷(xiāo)。

快速上下文切換擴展的引入避免了這種開(kāi)銷(xiāo)。它位于CPU和MMU之間，如果兩個(gè)進(jìn)程使用了同樣的虛擬地址空間，則對CPU而言，兩個(gè)進(jìn)程的空間地址是一樣的?？焖偕舷挛那袚Q擴展對各進(jìn)程的虛擬地址進(jìn)行變換，這樣系統中CPU之外的部分看到的是經(jīng)過(guò)快速上下文切換擴展變換的虛擬地址?？焖偕舷挛那袚Q擴展將各進(jìn)程的虛擬空間變換成不同的虛擬空間。這樣在進(jìn)行進(jìn)程間切換時(shí)就不需要進(jìn)行虛擬地址到物理地址的重映射。

快速上下文切換擴展將CPU發(fā)出的每個(gè)虛擬地址按照上述的規則進(jìn)行變換，然后發(fā)送到系統中的其他部分。變換過(guò)程如圖15.37所示。

圖15.37快速上下文切換擴展變換過(guò)程

使用快速上下文切換擴展，虛擬存儲管理增加了一次地址轉換?？焖偕舷挛那袚Q擴展在虛擬地址到達Cache和TLB前，使用一個(gè)特殊的、包含進(jìn)程ID值的重定位寄存器來(lái)修改虛地址。把第一次變換前的地址稱(chēng)為虛地址VA（VirtualAddress），把第一次變換后的地址稱(chēng)為修改后虛擬地址MVA（ModifiedvirtualAddress）。

這樣，任務(wù)間的切換就不用涉及到改變頁(yè)表，只需簡(jiǎn)單地將新任務(wù)的進(jìn)程ID寫(xiě)到位于CP15地FCSE進(jìn)程ID寄存器。正是因為任務(wù)切換不需要改變頁(yè)表，因而切換后Cache和TLB中的值依然保持有效，不需要清除。

ARM系統中，4GB的虛擬空間被分為128個(gè)進(jìn)程空間快，每個(gè)進(jìn)程空間塊大小為32MB。每個(gè)進(jìn)程空間塊中可以包含一個(gè)進(jìn)程，該進(jìn)程可以使用虛擬地址空間0x00000000～0x01ffffff，這個(gè)地址范圍也就是CPU看到的進(jìn)程的虛擬空間。系統128個(gè)進(jìn)程空間塊的編號為0～127，編號為1的進(jìn)程空間塊中的進(jìn)程實(shí)際使用虛擬地址空間為1×0x02000000～1×0x02000000+0x01ffffff。這個(gè)地址空間是系統中除CPU之外的其他部分看到的該進(jìn)程所占有的虛擬地址空間。

由地址VA到MVA的變換算法如下所示。

MVA=VA+（ox02000000×進(jìn)程ID）

保存在CP15寄存器c13寄存器中的值包含進(jìn)程ID，c13中從bit[31]～bit[25]共7位標識進(jìn)程ID，因此可以有128個(gè)進(jìn)程。寄存器格式如圖15.38。

圖15.38快速上下文切換寄存器c13

訪(fǎng)問(wèn)寄存器c13的指令格式如下所示：

MCRp15，0，Rd>，c13>，c0，0

MRCp15，0，Rd>，c13>，c0，0

其中，在讀操作時(shí)，結果中位[31:25]返回PID，其他位的數值是不可預知的。寫(xiě)操作將設置PID的值。

當PID=0時(shí)，MVA=VA，相當于禁止了FCSE。系統復位后PID為0。

當正在運行的進(jìn)程訪(fǎng)問(wèn)別的進(jìn)程時(shí)，被訪(fǎng)問(wèn)的進(jìn)程標識不能為0。這時(shí)，CPU發(fā)生的地址VA的高7位不是全0。

完整的VA到MVA的變換算法如下所示。

If（VA[31：25]==0b0000000）then

MVA=VA|（PID＜＜25=

Else

MVA=VA