Wednesday, August 19, 2015

Memory Management Unit

學習筆記 - Memory Management Unit

 MMU特性:
  1. 虛擬地址與物理地址轉換
  2. MMU內存訪問機制
電腦在處理資料時，當應用程式很大，應用程式所要求的內存空間，超過內存的總容量。電腦所採取的作法是分批處理，當前運行程式部分先裝入內存處理，其餘部分程式在用到時，再從硬碟或FLASH等儲存裝置調入，當內存滿時，則將暫時不運行程式部分調入硬碟或FLASH等儲存裝置。如此使得大程式可以在小的內存空間中運行。
另一個情況是，在多執行緒系統中，有多支程式要同時執行，它們要求的內存空間也大於內存的物理空間。
MMU就是藉由特性1.虛擬地址與物理地址轉換機制來實現這樣的功能。

MMU地址轉換工作原理:
細節可參考: MMU工作过程
http://blog.csdn.net/shareCode/article/details/9023029

 一般虛擬地址轉換有兩種方式: 1. 固定的數學式轉換，2. 用表格儲存虛擬地址與對應的物理地址(稱作Page table)，S3C2440採用Page table，而頁表(Page table)由一個個條目(Entry)所組成，條目亦稱作描述符(Descript)。
S3C2440有四種內存虛擬地址轉換方式，
  1. Fault (無映射)
  2. Coarse Page (粗表)，256個Entry，每個Entry 4000Byte大小
  3. Section (段)，4096個Entry，每個Entry 1MB大小
  4. Fine Page (細表)，1024個Entry，每個Entry 4Byte大小
屬於一級頁表。
而
  1. Coarse Page (粗表)
  2. Fine Page (細表)
可在細分為大頁(64KB)、小頁(4KB)、極小頁(1KB)等轉換方式屬於二級頁表，S3C2440最多用到二級頁表。

虛擬地址轉換示意:

一級頁表
虛擬地址  < == > TTB Base + p1(一級頁表索引，找到對應的段(表)內基地址) +  p2(加上虛擬地址偏移量，找到段(表)內地址)

 二級頁表
虛擬地址  < == > TTB Base + p1(一級頁表索引) +  p2(二級頁表索引，找到對應的頁內基地址) + p3(加上虛擬地址偏移量，找到頁內地址)

 其中  TTB Base( 寫入協處理器CP15的C2暫存器 

段轉換實例：
ARM920T是一個32bit的CPU,它的虛擬位址空間為2^32=4G。而在Section模式，這4G的虛擬空間被分成一個一個稱為段（Section）的單位,每個段的長度是1M 。4G的虛擬記憶體總共可以被分成4096個段（1M*4096=4G）,因此我們必須用4096個描述符來對這組段進行描述，每個描述符佔用4個Byte,故這組描述符的大小為16KB (4byte*4096),這4096個描述符構為一個表格，我們稱其為Translation Table.

上圖是段描述符的結構
    Section base address:段基底位址（MVA[31:20] 此描述符低20填0，就是一個1MB物理地       址空間的起始地址，也就是描述符 section 區段的起始地址，MVA[19:0]用來在這1MB空間     中尋址）
    AP: 存取控制位Access Permission
    Domain: 存取控制寄存器的索引。Domain與AP配合使用，對存取權限進行檢查
    C:當C被置1時為write-through (WT)模式
    B: 當B被置1時為write-back (WB)模式（C,B兩個位在同一時刻只能有一個被置1）

TLB（Translation Lookaside Buffers)作用：
上述MMU地址轉換需要進行查表，大大降低CPU性能，藉由TLB，使用一個高速、容量相對小的儲存器來儲存近期用到的頁表條目（段/大頁/小頁/極小頁描述符），避免每次地址轉換都到主存去查表，可大幅提高性能。

Cache作用：
在CPU與主存間設置一個高速、容量相對小的儲存器，將當前執行的指令、數據調入儲存器中，使得CPU不用再到主存去拿取資料，直接從Cache中拿取，以提高性能。
Cache啟動後有兩種方式，
  1. write through：cpu資料寫入cache也寫入主存，以保證主存數據能同步更新。
  2. write back：數據只寫入cache，不寫入主存，可在cache中設置旗標，標示地址與數據新舊，只有當cache中有新數據或 "clean" 操作時，才將cache中資料寫入主存中。
Cache 兩個操作，
  1. clean:將cache或write buffer中，新數據（修改過，尚未寫入主存），寫入主存。
  2. Invalidate: 使cache不再使用，並不將新數據寫入主存。


MMU內存訪問權限檢查：
MMU可以用來決定一塊內存是否可以進行讀/寫操作。


＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝實作＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

 MMU實驗：

開啟MMU功能，使用虛擬地址在SDRAM上跑LED實驗，4個LED跑得比SDRAM實驗快，這是由於開啟MMU的CACHE功能。

 ＝＝＝知識插曲＝＝＝
====Makefile 規則======
$@ 擴展成當前規則的目的檔案名， $< 擴展成依靠列表中的第 一個依靠檔，而 $^ 擴展成整個依靠的列表（除掉了裡面所有重 複的檔案名）。利用這些變數，我們可以把上面的 makefile 寫成：

OBJS = foo.o bar.o
CC = gcc
CFLAGS = -Wall -O -g

myprog : $(OBJS)
  $(CC) $^ -o $@

foo.o : foo.c foo.h bar.h
  $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

bar.o : bar.c bar.h
  $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@
======================
====ARM指令:BIC====
Rd,  Rn, Oprand2
BIC（位清除）指令对 Rn 中的值 和 Operand2 值的反码按位进行逻辑“与”运算。 (注意:ARM官方网站有误, 写的是补码)
BIC 是 逻辑”与非” 指令, 实现的 Bit Clear的功能
举例:
BIC     R0,   R0  , #0xF0000000
#将 R0  高4位清零
BIC    R1,  R1,   #0x0F
#将R1   低4位清0
===========================
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

關鍵代碼:

/*
 * 设置页表
 */
void create_page_table(void)
{

 /* 
 * 用于段描述符的一些宏定义
 */ 
#define MMU_FULL_ACCESS     (3 << 10)   /* 访问权限 */
#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 */
#define MMU_BUFFERABLE      (1 << 2)    /* bufferable */
#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)
#define MMU_SECTION_SIZE    0x00100000

     unsigned long virtuladdr, physicaladdr;
    unsigned long *mmu_tlb_base = (unsigned long *)0x30000000;
    
    /*
     * Steppingstone的起始物理地址为0，第一部分程序的起始运行地址也是0，
     * 为了在开启MMU后仍能运行第一部分的程序，
     * 将0～1M的虚拟地址映射到同样的物理地址
     */
    virtuladdr = 0;
    physicaladdr = 0;
    *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \
                                            MMU_SECDESC_WB;

     /*符合 段Descriptor */

     /*
     * 0x56000000是GPIO寄存器的起始物理地址，
     * GPFCON和GPFDAT这两个寄存器的物理地址0x56000050、0x56000054，
     * 为了在第二部分程序中能以地址0xA0000050、0xA0000054来操作GPFCON、GPFDAT，
     * 把从0xA0000000开始的1M虚拟地址空间映射到从0x56000000开始的1M物理地址空间
     */
    virtuladdr = 0xA0000000;
    physicaladdr = 0x56000000;
    *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \
                                            MMU_SECDESC;
    /*符合 段Descriptor */

     /*
     * SDRAM的物理地址范围是0x30000000～0x33FFFFFF，
     * 将虚拟地址0xB0000000～0xB3FFFFFF映射到物理地址0x30000000～0x33FFFFFF上，
     * 总共64M，涉及64个段描述符
     */
    virtuladdr = 0xB0000000;
    physicaladdr = 0x30000000;
    while (virtuladdr < 0xB4000000)
    {
        *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \
                                                MMU_SECDESC_WB;
        /*符合 段Descriptor */
        virtuladdr += 0x100000;
        physicaladdr += 0x100000;

    }
}

 /*
 * 启动MMU
 */
void mmu_init(void)
{
    unsigned long ttb = 0x30000000;     /*頁表基址*/

 // ARM休系架构与编程
// 嵌入汇编：LINUX内核完全注释
__asm__(
    "mov    r0, #0\n"
    "mcr    p15, 0, r0, c7, c7, 0\n"    /* 使无效ICaches和DCaches */
    
    "mcr    p15, 0, r0, c7, c10, 4\n"   /* drain write buffer on v4 */
    "mcr    p15, 0, r0, c8, c7, 0\n"    /* 使无效指令、数据TLB */
    
    "mov    r4, %0\n"                   /* r4 = 页表基址 */
    "mcr    p15, 0, r4, c2, c0, 0\n"    /* 设置页表基址寄存器 */
                                        /*寫入CP15協處理器的C2暫存器*/
    
    "mvn    r0, #0\n"                   
    "mcr    p15, 0, r0, c3, c0, 0\n"    /* 域访问控制寄存器设为0xFFFFFFFF，
                                         * 不进行权限检查 
                                         */
                                        /*寫入CP15協處理器的C3暫存器*/
    
    /* 
     * 对于控制寄存器，先读出其值，在这基础上修改感兴趣的位，
     * 然后再写入
     */
    "mrc    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    /* 读出控制寄存器的值 */
    
    /* 控制寄存器的低16位含义为：.RVI ..RS B... .CAM
     * R : 表示换出Cache中的条目时使用的算法，
     *     0 = Random replacement；1 = Round robin replacement
     * V : 表示异常向量表所在的位置，
     *     0 = Low addresses = 0x00000000；1 = High addresses = 0xFFFF0000
     * I : 0 = 关闭ICaches；1 = 开启ICaches
     * R、S : 用来与页表中的描述符一起确定内存的访问权限
     * B : 0 = CPU为小字节序；1 = CPU为大字节序
     * C : 0 = 关闭DCaches；1 = 开启DCaches
     * A : 0 = 数据访问时不进行地址对齐检查；1 = 数据访问时进行地址对齐检查
     * M : 0 = 关闭MMU；1 = 开启MMU
     */
    
    /*  
     * 先清除不需要的位，往下若需要则重新设置它们    
     */
                                        /* .RVI ..RS B... .CAM */ 
    "bic    r0, r0, #0x3000\n"          /* ..11 .... .... .... 清除V、I位 */
    "bic    r0, r0, #0x0300\n"          /* .... ..11 .... .... 清除R、S位 */
    "bic    r0, r0, #0x0087\n"          /* .... .... 1... .111 清除B/C/A/M */

     /*
     * 设置需要的位
     */
    "orr    r0, r0, #0x0002\n"          /* .... .... .... ..1. 开启对齐检查 */
    "orr    r0, r0, #0x0004\n"          /* .... .... .... .1.. 开启DCaches */
    "orr    r0, r0, #0x1000\n"          /* ...1 .... .... .... 开启ICaches */
    "orr    r0, r0, #0x0001\n"          /* .... .... .... ...1 使能MMU */
    
    "mcr    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    /* 将修改的值写入控制寄存器 */
    : /* 无输出 */
    : "r" (ttb) );                      

 /*"r"(ttb) 表示变量 ttb 的值赋给一个寄存器作为输入参数，这个寄存器由编译器自动分配。
第 42 行的 "%0" 被用来表示这个寄存器。 
    这是gcc嵌入汇编的写法
    : "r" (ttb) );表示即系统会分配某个寄存器rx，保存 ttb 这个值，
    mov    r4, %0\n 相当于 mov r4,[rx]  ，相当于 mov r4,ttb ，
    相当于 mov r4,#0x30000000*/
}


  • create_page_table (頁表的創建)，實作上就是創建一個指標陣列，指標指到實際物理段的基地址，這個指標陣列須符合Descriptor。
  • mmu_init，透過arm asm指令做初始化設定，最後將頁表基地址(TTB)傳入CP15協處理器的C2寄存器，如此就完成MMU之設定，啟用MMU後，即可透過MMU操作虛擬地址。

參考資料
  1. 韋東山　嵌入式Linux應用開發完全手冊
  2. http://www.linuxidc.com/Linux/2011-09/43526p4.htm
  3. http://blog.csdn.net/shareCode/article/details/9023029
  4. http://www.linuxidc.com/Linux/2014-10/107654.htm
  5. http://blog.chinaunix.net/uid-26833883-id-3348379.html
  6. http://blog.csdn.net/comwise/article/details/10309349
  7. http://blog.chinaunix.net/uid-29667690-id-4261879.html
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