ARM中MMU地址转换理解

时间:2022-05-22 14:09:16

首先,我们要分清ARM CPU上的三个地址:虚拟地址(VA,Virtual Address)、变换后的虚拟地址(MVA,Modified Virtual Address)、物理地址(PA,Physical Address)

启动MMU后,CPU核对外发出虚拟地址VA,VA被转换为MVA供MMU使用,在这里MVA被转换为PA;最后通过PA读写实际设备

MMU的作用就是负责虚拟地址(virtual address)转化成物理地址(physical address)。 32位的CPU的虚拟地址空间达到4GB,在一级页表中使用4096个描述符来表示这4GB的空间,每个描述符代表1M的虚拟地址,要么存储了它的对应物理地址的起始地址,要么存储了下一级页表的地址。使用MVA[31:20]来索引一级页表(4096个描述符)(因为全用MVA的高12位来索引,因此大小为 2^12 = 4096)

由协处理器CP15中的寄存器C2(高18位,即[31:14]为转换表基地址,低14位为0)为一级转换表基地址,指向2^14=16KB整除的存储器即16K对齐,这个存储区称为一级转换表;MVA的高12位,即位[31:20]作为一级转换表的地址索引,因此一级转换表具有2^12=4096项,每一项的地址为32位,最高的18位[31:14]为寄存器C2的高18位,中间12位为MVA的高12位[31:20],最低2位为0b00。每一项的内容称为一个描述符,在段(Section)下,一级描述符的高12位为大小为1MB的段基地址,段内地址(偏移地址)为MVA的低20位,即段内每个存储器的地址是这样组成:高12位为一级描述符的高12位,低20位MVA的低20位。这样,借助于寄存器C2和一级描述符,将一个MVA转换成一个PA。(在这里一定要注意:MVA的高12位是用来索引4096个项的,然后使用项的内容(即描述符)的高12位为段的高12位,类似于指针里面存放地址,4096项类似指针,描述符类似指针里面的内容

虚拟地址(注意:是一个确定的地址,不是一个空间)被MMU分成2个部分,第一部分是4096页号索引(descriptor index)即用选择4096(2^12)个号中的某个页号,比喻description index为768,页号768中保存的是物理地址的某个页框的起始地址(0x300),第二部分则是相对于section base(0x300)为起始地址空间为1M的偏移量(offset)(如下图)例如: 假设现在执行指令MOV REG, 0x30100013,虚拟地址的二进制码为00110000 00010000 00000000 00010011,前12位是Descriptor Index  = 2^9+2^8+1 = 769,找到769项对应的内容0x301,偏移量为0000 00000000 00010011=13,那么段地址为0x3000000D。

ARM中MMU地址转换理解

ARM中MMU地址转换理解

5.地址转换的总体流程:
     第一阶段:
          (1)从虚拟地址取出前面的31-20位,作为索引。
          (2)根据索引在translation table(一级页表)中找到相应的表项。
          (3)根据表项最低两位的值决定第二阶段的转换方式。
                    00:转换无效
                    01:粗页转换
                    10:段转换
                    11:细页转换
          (4)linux系统一般用细页转换,也有一定的处理器和操作系统用段转换,很少用粗页转换。。

6.关于TTB(translation table base)
(1)translation table存放在内存中。
(2)由程序员制造,故程序员知道其基地址(TTB)。
(3)程序员将TTB写入cp15的c2寄存器(TTB寄存器)。
(4)MMU工作的时候从c2寄存器去到TTB,从而找到translation table,进而利用虚拟地址的31-20位可以在该表中找到相应的表项,开始虚拟地址到物理地址的转换。。

范例代码:

#define GPKCON (volatile unsigned long*)0xA0008820
#define GPKDAT (volatile unsigned long*)0xA0008824 /*
* 用于段描述符的一些宏定义
*/
#define MMU_FULL_ACCESS (3 << 10) /* 段的访问权限 AP*/
#define MMU_DOMAIN (0 << 5) /* 属于哪个域 */
#define MMU_SPECIAL (1 << 4) /* 必须是1 */
#define MMU_CACHEABLE (1 << 3) /* cacheable 快速访问*/
#define MMU_BUFFERABLE (1 << 2) /* bufferable 缓冲区 */
#define MMU_SECTION (2) /* 表示这是段描述符 */
#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) void create_page_table(void)
/*
1. 建立页表
2. 写入TTB (cp15 c2)
3. 使能MMU
*/
{
unsigned long *ttb = (unsigned long *)0x50000000;
unsigned long vaddr, paddr; vaddr = 0xA0000000;
paddr = 0x7f000000;
*(ttb + (vaddr >> )) = (paddr & 0xFFF00000) | MMU_SECDESC; vaddr = 0x50000000; /* 映射内存 */
paddr = 0x50000000;
while (vaddr < 0x54000000)
{
*(ttb + (vaddr >> )) = (paddr & 0xFFF00000) | MMU_SECDESC_WB;
vaddr += 0x100000; /* 每一个表项只能映射1M */
paddr += 0x100000;
} } void mmu_init()
{
__asm__( /*设置TTB 写入cp15的c2中*/
"ldr r0, =0x50000000\n"
"mcr p15, 0, r0, c2, c0, 0\n" /*不进行权限检查 域的访问权限取决于cp15的c3寄存器*/
"mvn r0, #0\n"
"mcr p15, 0, r0, c3, c0, 0\n" /*使能MMU*/
"mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"
"orr r0, r0, #0x0001\n"
"mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"
:
:
);
} int gboot_main()
{
create_page_table();
mmu_init(); *(GPKCON) = 0x1111;
*(GPKDAT) = 0xe; return ;
}