s3c2440 記憶體管理單元MMU學習筆記 （修改中）

這幾天學習了S3C2440記憶體管理單元MMU，主要參考了《嵌入式Linux應用開發完全手冊》。網上有兩篇部落格也說得很詳細，分別是http://www.sectop.com/post/83.html與http://cky0612.blog.163.com/blog/static/2747891620101111119250/感興趣的可以參考一下，我就不重複人家的內容了。但是它們在MMU地址變換過程這一塊說得不太好理解。在此，我就按照我的理解將《嵌入式Linux應用開發完全手冊》的相關內容解釋一下，圖片加點注釋。如有錯誤，請大家不吝賜教，我一定馬上改，謝謝。

S3C2440 MMU地址變換過程

1）地址的分類

ARM cpu地址轉換涉及三種地址：虛擬位址（VA，Virtual Address）、變換後的虛擬位址（MVA，Modified Virtual Address）、物理地址（PA，Physical Address）

沒有啟動MMU時，CPU核心，cache，MMU，外設等所有組件使用的都是物理地址。

啟動MMU後，CPU核心對外發出虛擬位址VA；VA被轉換為MVA供cache、MMU使用，在這裡MVA被轉換成PA；最後使用PA讀取實際裝置 

1、CPU核心看到和用到的只是虛擬位址VA，至於VA如果去對應物理地址PA，CPU核心不理會

2、caches和MMU看不到VA，他們利用MVA轉換得到PA

3、實際裝置看不到VA、MVA，讀寫它們使用的是物理地址PA 

MVA是除CPU核心外的其他部分看到的虛擬位址，VA與MVA的變化關係如下：

if (VA  < 32M) then

        MVA = VA | (PID <<25)

else

        MVA = VA

其中PID為進程標識號（通過讀CP15的C13獲得）。

使用MVA，而不使用VA的目的是：當有重疊的VA時，轉換後的MVA地址並不重疊，減小轉換為PA的代價

比如兩個進程1、2，VA都是0-（32M-1），則MVA分別為0x02000000-0x03ffffff，0x04000000-0x05ffffff。

下文說到虛擬位址，如果沒有特別指出，就是指MVA

2）虛擬位址到物理地址的轉換過程

arm cpu使用頁表來進行轉換。頁表由一個個描述符（每個4位元組，32位）組成，每個描述符儲存一段虛擬位址對應的物理地址及存取權限，或者下一級頁表的地址

S3C2440可以以段（Section）的方式或頁（Page）的方式進行轉換。其中以段的方式進行轉換時只用到一級頁表，以頁的方式進行轉換時需用到兩級頁表：二級頁表可分為粗頁表、細頁表；二級頁表的映射按大小可映射大頁（Large page 64KB）、小頁（Small page 4KB）、極小頁（Tiny page 1KB）。

為S3C2440的地址轉換圖（自己加了些東西，若有誤，請指正，感激不盡）

需要注意的是：

1、粗頁表只能映射大頁和小頁，細頁表可以映射大頁、小頁和極小頁。

2、TTBbase代表一級頁表的地址，它由副處理器CP15的寄存器C2（稱為頁表基底位址暫存器）和MVA拼合產生。頁表基底位址暫存器的地址必須16K對齊（ [31:14]位儲存頁表基址，[13:0]為0）。

頁表基底位址暫存器結構如下

3、一級頁表使用4096個描述符來表示4GB空間。每個描述符儲存它對應的1MB的物理空間的起始地址（段），或者下一級頁表的地址。

概括的說一下MMU定址的主要過程

首先由頁表基底位址暫存器的[31:14]位和MVA的[31:20]位拼合成一個低兩位為0的32位地址，MMU根據此地址在一級頁表查詢。接下來根據轉換方式不同後續步驟有所不同。

若以段的方式轉換， MMU在一級頁表查詢到段描述符。將段描述符的 [31:20]位（段基址），和MVA的[19:0]位組成一個32位的物理地址即MVA對應的PA。

若以頁的方式（假設二級頁表為粗頁表，儲存的是大頁描述符）轉換，MMU在一級頁表查詢到粗頁表描述符。取出粗頁表描述符的[31:10]（即粗頁表基址）位，和MVA的[19:12]位組成一個低兩位為0的32位物理地址，通過這個地址在二級頁表找到大頁描述符。取出大頁描述符的[31:16]（即大頁基址）位，和MVA[15:0]位組成一個32位的物理地址，即MVA對應的PA（其他形式只是拼接的位元略有不同、將在下面詳細介紹）。

下面詳細介紹下各級頁表描述符的格式

一級頁表描述符

最低兩位：0b00：無效0b01：粗頁表（Coarse page table）[31:10]為粗頁表基址，此描述符低10位填充0後就是一個二級頁表的物理地址，二級頁表含256個條目（使用[9:2]，2^8=256個），稱為粗頁表（Coarse page table）。其中每個條目表示4KB大小的物理地址空間，一個粗頁表表示1MB物理地址0b10：段（Section）[31:20]為段基址，此描述符低20位填充0後就是一塊1MB物理地址空間的起始地址。MVA[19:0]，用來在這1MB空間中定址。描述符的位[31:20]和MVA[19:0]構成了這個虛擬位址MVA對應的物理地址以段的方式進行映射時，虛擬位址MVA到物理地址PA的轉換過程如下：1、頁表基底位址暫存器位[31:14]和MVA[31:20]組成一個低兩位為0的32位地址，MMU利用這個地址找到段描述符2、取出段描述符的位[31:20]（段基址），它和MVA[19:0]組成一個32位的物理地址（這就是MVA對應的PA）

0b11：細頁表（Fine page table）

[31:12]為細頁表基址（Fine page table base address），此描述符的低12位填充0後，就是一個二級頁表的物理地址。此二級頁表含1024個條目（使用[11:2]，10位），其中每個條目表示大小1kb的物理地址空間，一個細頁表表示1MB物理地址空間

二級頁表描述符

最低兩位：

0b00：無效 0b01：大頁描述符位[31:16]為大頁基址，此描述符的低16位填充0後就是一塊64KB物理地址空間的起始地址粗頁表中的每個條目只能表示4KB物理空間，如果大頁描述符儲存在粗頁表中，則連續16個條目都儲存同一個大頁描述符。類似的，細頁表中每個條目只能表示1KB的物理空間，如果大頁描述符儲存在細頁表中，則連續64個條目都儲存同一個大頁描述符。下面以儲存在粗頁表中的大頁描述符為例，說明地址轉化那過程1、頁表基底位址暫存器[31:14]和MVA[31:20]組成一個低兩位為0的32位地址，MMU利用這個地址找到粗頁表描述符2、取出粗頁表描述符的[31:10]（即粗頁表基址），它和MVA[19:12]組成一個低兩位為0的32位物理地址，通過這個地址找到大頁描述符3、取出大頁描述符的[31:16]（即大頁基址），它和MVA[15:0]組成一個32位的物理地址，即MVA對應的PA步驟2和3中，用於在粗頁表中索引的MVA[19:12]、用於在大頁內定址的MVA[15:0]有重合的位[15:12]，當位[15:12]從0b0000變化到0b1111時，步驟2得到的大頁描述符相同，所以粗頁表中有連續16個條目儲存同一個大頁描述符

0b10：小頁描述符

[31:12]為小頁基址（Small page base address），此描述符的低12位填充0後就是一塊4kb（[11:0]，一共12位,2^12=4096）物理地址空間的起始地址。粗頁表中每個條目表示4kb的物理空間，如果小頁描述符儲存在粗頁表中，則只需要用一個條目來儲存一個小頁描述符。類似的，細頁表中每個條目只能表示1kb的物理空間，如果小頁儲存在細頁表中，則連續4個條目都儲存同一個小頁描述符。

下面以儲存在粗頁表中的小頁描述符為例，說明地址轉換過程：

1、頁表基址[31:14]和MVA[31:20]組成一個低兩位為0的32位地址，MMU利用這個地址找到粗頁表描述符

2、取出粗頁表描述符[31:10]（即粗頁表基址），它和MVA[19:12]組成一個低兩位為0的32位物理地址，用這個地址找到小頁描述符

3、取出小頁描述符的位[31:12]（即小頁基址），它和MVA[11:0]組成一個32位物理地址（即MVA對應的PA）

小頁描述符儲存在細頁表中，地址轉換過程和上面類似。

0b11：極小頁描述符

[31:10]為極小頁基址（Tiny page base address），此描述符的低10位填充0後就是一塊1KB物理地址空間的起始地址。極小頁描述符只能儲存在細頁表中，用一個條目來儲存一耳光極小頁描述符

下面是極小頁的地址轉換過程：

1、頁表基底位址暫存器[31:14]和MVA[31:20]組成一個低兩位為0的32位地址，MMU通過這個地址找到細頁表描述符

2、取出細頁表描述符[31:12]（即細頁表基址），它和MVA[19:10]組成一個低兩位為0的32位物理地址，通過這個地址即可找到極小頁描述符

3、取出極小頁描述符[31:10]（即極小頁基址），它和MVA[9:0]組成一個32位的物理地址（即MVA對應的PA）