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vivi開發(fā)筆記（十二）：MMU分析 (2007-08-16 21:31)
分類： Vivi
這幾天一直在看MMU部分,，現(xiàn)在有了基本的認(rèn)識,，還不深入，解決了初級問題,，并且仿照vivi完成了一個測試實(shí)例,，對深入理解和驗(yàn)證推論的結(jié)果很有幫助。在學(xué)習(xí)的過程中,，體會到幾種方法還是比較實(shí)用的：
· 從歷史的角度去了解技術(shù),，梳理清楚發(fā)展主線，效率更高,。
· 采用軟硬件結(jié)合的方法分析,，理解更為深入。
· 與同一愛好的朋友交流，可以發(fā)現(xiàn)認(rèn)識的盲區(qū),，認(rèn)識更為全面,。
· 應(yīng)該閱讀英文的Datasheet，中文翻譯往往有錯誤,，有時候是致命的,，以前在c8051F020的SPI的設(shè)計(jì)中就因?yàn)檫@個問題研究了一周，最后才發(fā)現(xiàn)中文翻譯有問題,，這也足以說明還是原版更具有可信度,。但是呢,，不要絕對化,，原版也可能有錯誤。在閱讀學(xué)習(xí)的過程中,，如果理解到設(shè)計(jì)的巧妙,，那么很好，拿來使用,。如果暫時不能理解,，或者認(rèn)為原版有錯誤，那么不妨持懷疑的態(tài)度進(jìn)行學(xué)習(xí),，即使錯了,，也能學(xué)到很多東西，甚至從錯誤中學(xué)到的東西更多,。
· 充分利用網(wǎng)絡(luò)資源,。站在巨人的肩上可以更高更遠(yuǎn)！但是,，你必須訓(xùn)練讓自己具備找到巨人的能力,！
下面開始MMU的探討。因?yàn)檫€只是處于初級階段,，本文僅就MMU的基礎(chǔ)方面和應(yīng)用作一下探討,，其中還有沒有明確的地方，待解決,。
一,、MMU是什么？
MMU,，英文名稱為Memory Manage Unit,， 中文可以為“內(nèi)存管理單元”，或者“存儲器管理單元”,。MMU是硬件設(shè)備,，它與virtual memory是緊密聯(lián)系在一起的。
看一下s3c2410 datasheet Appendix 1中關(guān)于ARM920T的介紹（因?yàn)閟3c2410采用的是ARM920T的處理器）,。對ARM9系列處理器有如下幾種：
可見ARM920T具備了MMU功能部件,。而且還有cache,。它采用了一種變形的Harvard架構(gòu)，擁有16KB的Instruction cache和16KB的Data cache,，MMU和cache有密切的聯(lián)系,，后面會談到。
總之,，由于s3c2410這款SoC采用了ARM920T的處理器（處理器內(nèi)核為ARM9TDMI,，關(guān)于這些命名的區(qū)分在前面已經(jīng)討論過了），所以擁有了MMU和cache,。有了這個硬件基礎(chǔ),，軟件上才可能使用這個功能。那么,，現(xiàn)在的問題是,，s3c2410擁有MMU，那么MMU到底有什么用呢,？還是從歷史發(fā)展的角度看一下,。
二、從歷史發(fā)展的角度看MMU的作用
這一部分可結(jié)合蔡于清的講解【網(wǎng)址：http://www./viewthread.php?tid=28&extra=page%3D1】來看,，下面的大部分內(nèi)容轉(zhuǎn)載此處,，針對自己的理解做了一些擴(kuò)充性說明。只是需要注意的是,，在蔡于清此部分的講解中,，有幾處小的錯誤，完成此部分的講解后可以進(jìn)行更正,。
MMU功能部件是與虛擬內(nèi)存技術(shù)（virtual memory）緊密聯(lián)系在一起的,。
第一階段：最初，計(jì)算機(jī)內(nèi)存很小,，而且非常昂貴,，大多數(shù)都是以KB為單位的。相應(yīng)的,，當(dāng)時程序規(guī)模很小,，不復(fù)雜，所以內(nèi)存還是能夠滿足需求的,。在看《Linkers and Loaders》的時候,，也是從這個階段講解，不過此書的核心視角是從Linkers和Loaders的發(fā)展來看的,。也就是,，計(jì)算機(jī)剛剛出現(xiàn)時，還是比較簡陋的，各種復(fù)雜的技術(shù)是伴隨著人們需求的提高而出現(xiàn)的,。把握住這一點(diǎn),，就可以從需求的角度入手探討技術(shù)，可以分析它如何滿足了這樣的需求,。通過這種分析,，理解上就比較簡單一些了。
第二階段：程序規(guī)模擴(kuò)大,，考慮到成本問題,，出現(xiàn)了overlay技術(shù)，也就是內(nèi)存覆蓋策略,?；镜脑砭褪前殉绦蚍指畛稍S多稱為“覆蓋塊”的片斷。覆蓋塊0首先加載運(yùn)行,，結(jié)束時調(diào)用另一個覆蓋塊,。覆蓋塊的調(diào)度是由OS來完成的，但是事先需要分割,，這部分工作是程序員借助Linkers來完成的。但是畢竟枯燥,，由此帶來的開銷也比較大,。于是進(jìn)入第三個階段。
第三階段：出現(xiàn)virtual memory,。虛擬存儲器的基本思想是程序,，數(shù)據(jù)，堆棧的總的大小可以超過物理存儲器的大小,，操作系統(tǒng)把當(dāng)前使用的部分保留在內(nèi)存中,，而把其他未被使用的部分保存在磁盤上。比如對一個16MB的程序和一個內(nèi)存只有4MB的機(jī)器,，OS通過選擇,，可以決定各個時刻將哪4M的內(nèi)容保留在內(nèi)存中，并在需要時在內(nèi)存和磁盤間交換程序片段,，這樣就可以把這個16M的程序運(yùn)行在一個只具有4M內(nèi)存機(jī)器上了,。而這個16M的程序在運(yùn)行前不必由程序員進(jìn)行分割。
伴隨著這種技術(shù)的出現(xiàn),，“virtual address,，即VA”和“physical address， 即PA”也就出現(xiàn)了,。一般來說,，CPU看到的地址是VA，VA是有地址線來決定的。比如,，s3c2410是32位的SoC,，那么它的尋址空間為2^32=4GB，那么VA空間也就是4GB,。但是在嵌入式系統(tǒng)中,，物理存儲器是不會有這么大的。現(xiàn)在這塊s3c2410的實(shí)際內(nèi)存SDRAM也就64MB,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于4GB,。也就是說，VA是4GB,，PA是64MB,，PA的地址空間是VA地址空間的子集。既然PA沒有VA那么大,，而且CPU只能看到VA,，那么CPU如何找到PA呢？這也正是MMU的基本作用之一,，就是提供VA到PA的轉(zhuǎn)換機(jī)制,，除了硬件的支持外，軟件上實(shí)際就是維護(hù)一張表,，表中的內(nèi)容是VA到PA的轉(zhuǎn)換法則,。由于有了MMU，那么就可以實(shí)現(xiàn)利用VA找到實(shí)際物理內(nèi)存區(qū)域,。 現(xiàn)在討論為什么要實(shí)現(xiàn)VA到PA的映射,。就ARM而言，系統(tǒng)上電后,，CPU的PC指向0x00000000或者0xffff0000,，這是由CPU的設(shè)計(jì)者決定的。在這個位置,，一般安排非易失性存儲器地址空間,，比如rom，flash等,。但是flash等響應(yīng)速度慢,，這就稱為提高系統(tǒng)性能的一個瓶頸。而sdram則具有很高的響應(yīng)速度,，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行速度,，可以把flash中的應(yīng)用程序下載到sdram中執(zhí)行，也就是一個簡單的loader的功能實(shí)現(xiàn),。這樣就出現(xiàn)一個問題,，ARM響應(yīng)exception時,，程序指針指向固定的VA，比如,，假設(shè)發(fā)生了IRQ中斷,，那么PC執(zhí)行0x00000018（如果是高端啟動，則指向0xffff0018處,。）但是此處仍然為非易失性存儲器,，也就是說，程序的一部分仍然在flash或者rom中執(zhí)行,。這時可以利用MMU,，把sdram的地址映射到0x00000000起始的一片連續(xù)地址空間，而把原來flash映射到其他不相沖突的存儲空間位置,。例如,，flash的地址范圍0x00000000－0x00ffffff，sdram的地址范圍0x30000000－0x31ffffff,。那么可以把sdram映射到0x00000000－0x1fffffff（此處地址空間未被占用）,。映射完成后，如果處理器異常,，假設(shè)依然為IRQ中斷,，pc指向0x00000018，但是pc實(shí)際上是從物理地址0x30000018處讀取指令,。通過mmu的映射,，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的加速。這個地方也可以說明bootloader中常見的中斷向量表的設(shè)置,，為什么有些使用b，有些使用ldr了,?！綽的跳轉(zhuǎn)空間只能是+-32M，而ldr可以大的多了,?！?/div>
在實(shí)際的應(yīng)用過程中，還可能會把兩片不連續(xù)的物理地址空間分配給sdram,，而在os中,，習(xí)慣上把sdram的空間連續(xù)起來，方便實(shí)現(xiàn)動態(tài)內(nèi)存管理,。通過mmu可以實(shí)現(xiàn)不連續(xù)的物理地址空間映射為虛擬地址空間,。
另外一個需求就是，實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)行級別,，那么一些關(guān)鍵的代碼可以設(shè)定不被普通應(yīng)用程序訪問,。這也是通過mmu控制訪問權(quán)限來實(shí)現(xiàn)的,。
綜上三個階段所述，可見MMU的作用主要就是兩個:
· 實(shí)現(xiàn)VA到PA的映射（可以因此實(shí)現(xiàn)方便的動態(tài)內(nèi)存管理）
· 實(shí)現(xiàn)不同的訪問權(quán)限,。
三,、結(jié)合s3c2410來分析MMU的幾處硬件特點(diǎn)
首先看看ARM920T的框圖：
 可以驗(yàn)證前面的幾個概念：
·位于中心的ARM9TDMI Processor Core發(fā)出的地址有兩種，IVA和DVA,，都是VA,。其中I代表Instruction， D代表Data,。也就是說,，CPU核心看到的都是32bits的VA。
·Dcache,、Icache,、Dmmu、Immu看到的都是對應(yīng)的MVA（modified virtual address）,，這個是比較復(fù)雜的地方,，下面專門拿出這個來講解。
·MMU處理后的輸出地址都是對應(yīng)的PA,，通過AMBA Bus Interface連接到ASB總線上面,。
這樣，從硬件上對地址的概念就比較清晰了,。也可以很明顯的看出MMU的功能：將VA轉(zhuǎn)換成PA,。但是現(xiàn)在存在的一個問題是，MVA是什么,，為什么要用到MVA,？
可以看CP15協(xié)處理器的register 13。這個寄存器是進(jìn)程識別寄存器,，主要的操作如下：
寄存器的字格式為：
 很清晰,，ProcID為7bits，剩下的25bits should be zero,，也就是可以實(shí)現(xiàn)2^25=32M的地址對齊,。從這個道理上講，每個進(jìn)程擁有32M的MVA地址空間,，而最多支持的進(jìn)程數(shù)為2^7=128個,。這樣，128*32M=4GB,，正是全部的虛擬地址空間,。但是，英文的datasheet上卻并非如此,，寫的記錄數(shù)字為64個進(jìn)程,，同樣每個進(jìn)程32M,，怎么可能達(dá)到4GB？參看下圖：
 我覺得上圖中的63應(yīng)該改為127,。因?yàn)檫@個63處不可能對應(yīng)4GB,，而應(yīng)該對應(yīng)2GB。判斷此處屬于datasheet的錯誤,。
還有,，這個procID是何時，有誰寫入的,？有誰來維護(hù),？根據(jù)推斷，在bootloader階段,，只需要一個進(jìn)程就可以了,，所以，procID一直都是復(fù)位后默認(rèn)的0,，不需要改變,。但是后面有了OS后，要想實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程,，那么就需要對此維護(hù)了,。所以procID的維護(hù)者是系統(tǒng)軟件OS。在創(chuàng)建一個新進(jìn)程的時候,，要把進(jìn)程號寫入procID,。
另外，關(guān)于MVA部分的轉(zhuǎn)換公式,，實(shí)際上還是有疑問的,。
寫成偽代碼，可以參考《s3c2410完全開發(fā)》,。
thisway.diy說利用PID來生成MVA的目的是為了減少切換進(jìn)程時的代價：如果兩個進(jìn)程占用的VA有重疊,，不進(jìn)行上述處理的話，當(dāng)進(jìn)行進(jìn)程切換時必須進(jìn)行VA到PA的重新映射,，這就需要重新建立頁表，使無效cache和TLB等等,，代價很大,。但是如果進(jìn)行上述處理的話，進(jìn)程切換就省事多了：假設(shè)兩個進(jìn)程1,、2運(yùn)行時的VA都是0－32M,，則它們的MVA分別是（0x02000000-0x03ffffff）、（0x04000000-0x05ffffff）,，前面看到的MMU,、cache使用MVA而不是使用VA,，這樣就不必進(jìn)行重建頁表等工作了。
但是這里帶來的一個問題是,，如果進(jìn)程運(yùn)行時的VA小于32M,，那么根據(jù)PID的不同，可以達(dá)到4GB空間的任意部分,，也就是,，雖然可以避免運(yùn)行VA小于32M時的不同進(jìn)程的“撞車”，但是同時帶來的是VA小于32M可能與VA大于32M的進(jìn)程產(chǎn)生了“撞車”,。這樣不是更為普遍嗎,？現(xiàn)在從原理上還不能理解。翻看《ARM Architecture Reference Manual》,，發(fā)現(xiàn)對于ARM核,，如果采用MVA，那么進(jìn)程切換實(shí)際上對應(yīng)著Fast context switch extension,，不知道原理是什么,。對于研究bootloader來說，現(xiàn)在不設(shè)計(jì)到多進(jìn)程,，整個系統(tǒng)就是一個獨(dú)立的單進(jìn)程,，PID就是默認(rèn)的0x0。這個問題可能要后推了,。
四,、提出幾個問題
1、在vivi中為什么使用了MMU,？是否可以不用,？
這個問題已經(jīng)解決。實(shí)際上,，在nand flash啟動的情況下,，vivi中可以不使用MMU。因?yàn)橐皇侵袛嘞蛄勘硎欠旁趕ram里,，響應(yīng)速度比sdram還要快,。另外，在bootloader階段,，只有一個進(jìn)程,，不存在多進(jìn)程的內(nèi)存空間重疊的問題。也因?yàn)橐粋€進(jìn)程,，所以單純的PA就滿足需求,，沒有必要用VA。開始時,，也不需要區(qū)分訪問權(quán)限,。大量的工作,，比如進(jìn)程切換、權(quán)限訪問等等,，都是在EOS中處理的,。所以，這種情況下,，可以不使用MMU,。我把vivi中關(guān)于MMU的部分去除，編譯下載,，可以正常引導(dǎo)內(nèi)核啟動,，沒有問題。
那么,，vivi為什么要開啟MMU呢,？原因也是比較簡單的，就是追求系統(tǒng)運(yùn)行的高效,。因?yàn)閟3c2410的Icache不受MMU的影響,，而Dcache和write buffer則必須開啟了MMU功能之后，才能使用,。而使用Dcache和write buffer后,，對系統(tǒng)運(yùn)行速度的提高是非常明顯的，后面還將通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這一點(diǎn),。也就是說,，在nand flash啟動時，vivi使用了MMU,，主要是為了獲得Dcache和write buffer的使用權(quán),，借此提高系統(tǒng)運(yùn)行的性能。
2,、使用了MMU,，那么軟硬件是如何分工協(xié)作的？
這個基本搞清楚了,，但是還有一個遺留問題,。針對于s3c2410，可以分為如下幾個階段：
· 第一階段 軟件準(zhǔn)備
MMU在軟件上的實(shí)現(xiàn)過程,，實(shí)際上就是一個查表映射的過程,。建立頁表（translation table）是MMU功能的重要的一步。頁表就是內(nèi)存的一塊區(qū)域,，由一個個固定格式的entry組成。其中每個entry對應(yīng)一個VA到PA的轉(zhuǎn)換,，每一項(xiàng)的長度是一個word,，還可以完成訪問權(quán)限和緩沖特性的限定,。在軟件上，就是要把這個表填好,。重映射就是修改相應(yīng)的entry,，改變了原來的映射規(guī)則，很簡單,。
這步工作是要軟件提前準(zhǔn)備的,。需要注意的是，明確如何找到這個頁表,。對于表的查找,，需要知道表的基地址和偏移地址，在cp15的register 2用于保存頁表的基地址,，這樣就可以查找到相應(yīng)的PA了,。
· 第二階段 硬件完成VA-MVA
硬件根據(jù)ARM9TDMI發(fā)出的VA和CP15的register 13來自動生成MVA。
· 第三個階段
硬件自動實(shí)現(xiàn)cache查詢,，如果沒有,，則根據(jù)cp15的register 2和MVA找到translation table中的entry，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的PA轉(zhuǎn)換,，讀取內(nèi)存,，然后根據(jù)cache算法更新cache。也就是說,，這個階段也是硬件實(shí)現(xiàn)的,。不過軟件上對cache要進(jìn)行相應(yīng)的管理，這個地方的算法相對還是比較復(fù)雜的,。
綜上,，對單進(jìn)程而言，軟件操作上就是維護(hù)translation table,，并且處理好cache相關(guān)操作,。
五、實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較簡單,，綜合了前面的串口實(shí)驗(yàn),，燈循環(huán)點(diǎn)亮實(shí)驗(yàn)，中斷實(shí)驗(yàn),，nand flash實(shí)驗(yàn),，另外，加入了MMU功能,。利用MMU功能的開啟,，觀察燈循環(huán)點(diǎn)亮實(shí)驗(yàn)，如果開啟了Dcache和write buffer，燈閃的速度明顯快的多,，幾乎看不出間隔,，而把其關(guān)閉，則還能夠看出間隔,。這還是在12MHz的前提下,，還沒有把PLL功能開啟。如果把PLL功能開啟,，還需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,。
源代碼如下，完全仿照vivi的架構(gòu),，另外,，mmu部分基本是采用vivi的源代碼，具體的分析留待vivi源代碼分析時解決,。其實(shí),，如果開啟了mmu，cache和write buffer是否能夠合理有效的使用還是一個問題,。如果使用不當(dāng),，帶來的問題可能會比較奇怪，而且難以解決,。在這個過程中,，需要對照現(xiàn)有的較好的代碼進(jìn)行分析，總結(jié)規(guī)律,，然后應(yīng)用到自己的設(shè)計(jì)中去,。
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來自： 向往~ > 《vivi源碼分析》
