5.3内存管理单元mmu
mmu主要作用：
1、虚拟存储空间到物理存储空间的映射
2、存储器访问权限的控制
3、设置虚拟存储空间的缓冲特性
实现方式：页表。用C2保存页表的基地址。TLB的控制与清除由C8控制，锁定由C10控制。
C3用于控制与域相关的属性的配置，C5与C6处理内存访问失效情况。
CP15的寄存器C1
C1控制整个mmu功能，bit[0]位控制禁止/使能mmu
；使能mmu
MRC P15,0，R0，C1,0,0
ORR R0，#01
MCR P15,0，R0，C1,0,0
CP15中的寄存器C1的编码格式及含义说明如下：
| 31 16 |
15 |
14 |
13 |
12 |
11 |
10 |
9 |
8 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
| 附加 |
L4 |
RR |
V |
I |
Z |
F |
R |
S |
B |
L |
D |
P |
W |
C |
A |
M |
| 位 |
说 明 |
| M |
0：禁止MMU或者PU；1：使能MMU或者PU |
| A |
0：禁止地址对齐检查；1：使能地址对齐检查 |
| C |
0：禁止数据/整个cache；1：使能数据/整个cache |
| W |
0：禁止写缓冲；1：使能写缓冲 |
| P |
0：异常中断处理程序进入32位地址模式；1：异常中断处理程序进入26位地址模式 |
| D |
0：禁止26位地址异常检查；1：使能26位地址异常检查 |
| L |
0：选择早期中止模型；1：选择后期中止模型 |
| B |
0：little endian；1：big endian |
| S |
在基于MMU的存储系统中，本位用作系统保护 |
| R |
在基于MMU的存储系统中，本位用作ROM保护 |
| F |
0：由生产商定义 |
| Z |
0：禁止跳转预测功能；1：使能跳转预测指令 |
| I |
0：禁止指令cache；1：使能指令cache |
| V |
0：选择低端异常中断向量0x0~0x1c；1：选择高端异常中断向量0xffff0000~ 0xffff001c |
| RR |
0：常规的cache淘汰算法，如随机淘汰；1：预测性淘汰算法，如round-robin淘汰算法 |
| L4 |
0：保持ARMv5以上版本的正常功能；1：将ARMv5以上版本与以前版本处理器兼容，不根据跳转地址的bit[0]进行ARM指令和Thumb状态切换：bit[0]等于0表示ARM指令，等于1表示Thumb指令 |
| 附加： |
使能mmu时存储访问过程：
arm处理存储访问请求指令，然后在TLB中查找虚拟地址。如果虚拟地址不在TLB,更新TLB，将相应结果添加到TLB。之后将得到该虚拟地址对应的物理地址。再由C、W控制位决定是否缓存该内存结果。如果不可以，在直接访问物理地址得到数据。
禁止mmu时存储访问过程：
在使能mmu之前，要在内存中建立页表，同时CP15中的相关寄存器必须完成初始化。
如果使用的不是平板存储模式（虚拟地址和对应的物理地址相等），在禁止/使能mmu时，由于虚拟地址和物理地址的对应关系会发生变化，故应清除cache中当前地址变化条目。
禁止/使能mmu的代码，要求该代码物理地址和虚拟地址相同。
5.3.3mmu中地址变换过程
首先将CPU内核发送过来的32位VA[31:0]分成三段，前两段VA[31:20]和VA[19:12]作为两次查表的索引，第三段VA[11:0]作为页内的偏移，查表的步骤如下：
⑴从协处理器CP15的寄存器2(TTB寄存器，translation table base register)中取出保存在其中的第一级页表(translation table)的基地址，这个基地址指的是PA，也就是说页表是直接按照这个地址保存在物理内存中的。
⑵以TTB中的内容为基地址，以VA[31:20]为索引值在一级页表中查找出一项(2^12=4096项)，这个页表项(也称为一个描述符，descriptor)保存着第二级页表(coarse page table)的基地址，这同样是物理地址，也就是说第二级页表也是直接按这个地址存储在物理内存中的。
⑶以VA[19:12]为索引值在第二级页表中查出一项(2^8=256)，这个表项中就保存着物理页面的基地址，我们知道虚拟内存管理是以页为单位的，一个虚拟内存的页映射到一个物理内存的页框，从这里就可以得到印证，因为查表是以页为单位来查的。
⑷有了物理页面的基地址之后，加上VA[11:0]这个偏移量(2^12=4KB)就可以取出相应地址上的数据了。
这个过程称为Translation Table Walk，Walk这个词用得非常形象。从TTB走到一级页表，又走到二级页表，又走到物理页面，一次寻址其实是三次访问物理内存。注意这个“走”的过程完全是硬件做的，每次CPU寻址时MMU就自动完成以上四步，不需要编写指令指示MMU去做，前提是操作系统要维护页表项的正确性，每次分配内存时填写相应的页表项，每次释放内存时清除相应的页表项，在必要的时候分配或释放整个页表。
5.3.5 mmu中的域
mmu中的域指的是一些段、大页或者小页的集合。ARM最多支持16个域（每两位控制一个域），由C3寄存器来控制。
0b00 没有访问权限 访问该域将产生访问无效
0b01 客户权限 根据页表中的访问控制权限决定是否允许访问
0b10 保留 使用该值将产生不可预知的结果
0b11 管理者权限 不受访问控制权限影响可以直接访问
5.3.6 存储访问失效
包括mmu失效和外部存储访问失效。统称为存储访问中止。这时若存储访问中止发生在数据访问周期，CPU将产生数据访问中止异常。如果存储访问发生在指令预取周期，则产生指令预取中断。
mmu失效：产生4种失效，地址对齐失效、地址变换失效、域控制失效、访问权限控制失效。由C5(访问失效状态寄存器)、C6(访问失效地址寄存器)控制
CP15中的寄存器C5是失效状态寄存器，编码格式如下所示：
| 31 9 8 7 4 3 0 |
|||
| UNP/SBZP |
0 |
域标识 |
状态标识 |
其中，域标识bit[7：4]表示存放引起存储访问失效的存储访问所属的域。
状态标识bit[3：0]表示放引起存储访问失效的存储访问类型，该字段含义如表4-3所示（优先级由上到下递减）。
表4-3 状态标识字段含义
| 引起访问失效的原因 |
状态标识 |
域标识 |
C6 |
| 终端异常（Terminal Exception） |
0b0010 |
无效 |
生产商定义 |
| 中断向量访问异常（Vector Exception） |
0b0000 |
无效 |
有效 |
| 地址对齐 |
0b00x1 |
无效 |
有效 |
| 一级页表访问失效 |
0b1100 |
无效 |
有效 |
| 二级页表访问失效 |
0b1110 |
有效 |
有效 |
| 基于段的地址变换失效 |
0b0101 |
无效 |
有效 |
| 基于页的地址变换失效 |
0b0111 |
有效 |
有效 |
| 基于段的存储访问中域控制失效 |
0b1001 |
有效 |
有效 |
| 基于页的存储访问中域控制失效 |
0b1101 |
有效 |
有效 |
| 基于段的存储访问中访问权限控制失效 |
0b1111 |
有效 |
有效 |
| 基于页的存储访问中访问权限控制失效 |
0b0100 |
有效 |
有效 |
| 基于段的cache预取时外部存储系统失效 |
0b0110 |
有效 |
有效 |
| 基于页的cache预取时外部存储系统失效 |
0b1000 |
有效 |
有效 |
| 基于段的非cache预取时外部存储系统失效 |
0b1010 |
有效 |
有效 |
· CP15中的寄存器C6
CP15中的寄存器C5是失效地址寄存器，编码格式如下所示：
| 31 0 |
| 失效地址（虚拟地址） |
5.3.7 mmu中cache
5.3.8 mmu中关于快表(TLB)
当内存中的页表内容改变时，或者通过修改CP15的寄存器C2来使用新的页表时，TLB中的内容要全部或者部分无效。
快表的清除由C8控制，锁定由C10控制。
CP15的C10寄存器用于控制TLB内容锁定。
访问CP15的C10寄存器的指令格式如下所示：
mcr p15, 0, <rd>, <c10>, c0, <opcode_2>
mrc p15, 0, <rd>, <c10>, c0, <opcode_2>
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分别有一个独立的TLB内容锁定寄存器，<opcode_2>用来选择其中的某个寄存器：
<opcode_2>=1选择指令TLB的内容锁定寄存器；
<opcode_2>=0选择数据TLB的内容锁定寄存器。
C10寄存器的编码格式如下：
| 31 30 32-W 31-W 32-2W 31-2W 1 0 |
|||
| 可被替换的条目起始地址的base |
下一个将被替换的条目地址victim |
0 |
P |
| 位 |
说 明 |
| victim |
指定下一次TLB没有命中（所需的地址变换条目没有包含在TLB中）时，从内存页表中读取所需的地址变换条目，并把该地址变换条目保存在TLB中地址victim处 |
| base |
指定TLB替换时，所使用的地址范围，从（base）到（TLB中条目数-1）；字段victim的值应该包含在该范围内 |
| P |
1：写入TLB的地址变换条目不会受使整个TLB无效操作的影响，一直保持有效；0：写入TLB的地址变换条目将会受到使整个TLB无效操作的影响 |
5.3.8 mmu中上下文快速切换
C13寄存器用于快速上下文切换FCSE。
访问CP15的C13寄存器的指令格式如下所示：
mcr p15, 0, <rd>, <c13>, c0, 0
mrc p15, 0, <rd>, <c13>, c0, 0
C13寄存器的编码格式如下所示：
| 31 25 24 0 |
|
| PID |
0 |
其中，PID表示当前进程的所在的进程空间块的编号，即当前进程的进程标识符，取值为0~127。
0：MVA（变换后的虚拟地址）= VA（虚拟地址），禁止FCSE（快速上下文切换技术），系统复位后PID=0；
非0：使能FCSE。
MCR P15, 0, <Rd>, <C8>, <CRm>, <opcode_2>
其中 <Rd> 中为将写入 C8中的数据; <CRm>, <opcode_2> 的不同组合决定指令执行不同的操作
----------------------------------------------------------------------------------
指令 <opcode_2> <CRm> <Rd> 含义
----------------------------------------------------------------------------------
MCR P15,0,Rd,C8,C7,0 0b0000 0b0111 0 DCache,ICache 无效
MCR P15,0,Rd,C8,C7,1 0b0000 0b0111 虚地址 整个Cache 中单个地址变换条目无效
MCR P15,0,Rd,C8,C5,0 0b0000 0b0101 0 整个Cache无效
MCR P15,0,Rd,C8,C5,1 0b0000 0b0101 虚地址 指令Cache 中单个地址变换条目无效
MCR P15,0,Rd,C8,C6,0 0b0000 0b0110 0 整个数据Cache无效
MCR P15,0,Rd,C8,C6,1 0b0000 0b0110 虚地址 数据Cache 中单个地址变换条目无效
CP15 中的寄存器 C7 用于清除 cache 和写缓冲区。它是一个只写的寄存器，使用 MCR 指令
来写该寄存器，具体格式如下:
MCR P15, 0, <Rd>, <c7>, <CRm>, <opcode_2>
其中, <Rd> 中为将写入 C7 中的数据; <CRm>, <opcode_2> 的不同组合决定执行不同的操作:
----------------------------------------------------------------------------------
<CRm> <opcode_2> 含义 数据
----------------------------------------------------------------------------------
C0 4 等待中断激活 0
C5 0 使用无效整个Cache 0
C5 1 使无效指令Cache 中的某块 虚地址
C5 2 使无效指令Cache 中的某块 组号/组内序号
C5 4 清空预取缓冲区 0
C5 6 清空整个跳转目标Cache 0
C5 7 清空跳转目标Cache中的某块 生产商定义
C6 0 使无效整个数据Cache 0
C6 1 使无效数据Cache 中的某块 虚地址
C6 2 使无效数据Cache 中的某块 组号/组内序号
C7 0 使数据Cache 和指令Cache 无效 0
C7 1 使无效整个Cache 中的某块 虚地址
C7 2 使无效整个Cache 中的某块 组号/组内序号
C8 2 等待中断激活 0
C10 1 清空数据Cache 中某块 虚地址
C10 2 清空数据Cache 中某块 组号/组内序号
C10 4 清空写缓冲区 0
C11 1 清空整个Caceh 中某块 虚地址
C11 2 清空整个Caceh 中某块 组号/组内序号
C13 1 预取指令Cache 中某块 虚地址
C14 1 清空并使无效数据Cache中某块 虚地址
C14 2 清空并使无效数据Cache中某块 组号/组内序号
C15 1 清空并使无效整个Cache中某块 虚地址
C15 2 清空并使无效整个Cache中某块 组号/组内序号
CP15的C9寄存器用于控制cache内容锁定。
访问CP15的C9寄存器的指令格式如下所示：
mcr p15, 0, <rd>, <c9>, c0, <opcode_2>
mrc p15, 0, <rd>, <c9>, c0, <opcode_2>
如果系统中包含独立的指令cache和数据cache，那么对应于数据cache和指令cache分别有一个独立的cache内容锁定寄存器，<opcode_2>用来选择其中的某个寄存器：
<opcode_2>=1选择指令cache的内容锁定寄存器；
<opcode_2>=0选择数据cache的内容锁定寄存器。
CP15的C9寄存器有A、B两种编码格式。编码格式A如下所示：
| 31 32-W 31-W 0 |
|
| cache组内块序号index |
0 |
其中index表示当下一次发生cache未命中时，将预取的存储块存入cache中该块对应的组中序号为index的cache块中。此时序号为0~index-1的cache块被锁定，当发生cache替换时，从序号为index到ASSOCIATIVITY的块中选择被替换的块。
编码格式B如下所示：
| 31 30 W W-1 0 |
||
| L |
0 |
cache组内块序号index |
| 位 |
说 明 |
| L=0 |
当发生cache未命中时，将预取的存储块存入cache中该块对应的组中序号为index的cache块中 |
续表
| 位 |
说 明 |
| L=1 |
如果本次写操作之前L=0，并且index值小于本次写入的index，本次写操作执行的结果不可预知；否则，这时被锁定的cache块包括序号为0~index-1的块，当发生cache替换时，从序号为index到ASSOCIATIVITY的块中选择被替换的块 |