linux内核（四）内存管理单元MMU

1，基本概念

　　一个程序运行时没必要全部都同时装入内存，只需要把当前需要运行的部分装入内存即可，这样就使得一个大程序可以在较小的内存中运行，也使得内存中可以同时装入更多的程序并发执行，从用户角度看，该系统拥有的内存容量比实际的内存容量大的多，这样的存储器称为虚拟存储器。虚拟存储器从逻辑上对内存容量进行了扩充，用户看到的大容量是虚的。

　　在没有使用虚拟存储器的机器上，地址被直接送到内存总线上，使具有相同地址的物理存储器被读写；而在使用了虚拟存储器的情况下，虚拟地址不是被直接送到内存地址总线上，而是送到存储器管理单元MMU，把虚拟地址映射为物理地址。（即MMU把虚拟地址空间和物理地址空间给隔开了）

虚拟地址空间：大小由CPU的位数决定，例如在一个32位的CPU系统中，这个虚拟内存地址范围是0~0xFFFFFFFF （4G)，这个地址范围称为虚拟地址空间。

虚拟地址：虚拟地址空间中的某一个地址我们称之为虚拟地址。

物理地址空间和物理地址就是对应实际的内存。

页表（Page Table）：把虚拟内存转换为物理内存，一般有两种办法，其一用一个数学公式进行转换；另一个就是用表格存储虚拟地址对应的物理地址，这个表格就称为页表。页表有一个个条目（Entry）（条目也称为描述符）组成，每个条目存储了一段虚拟地址对应的物理地址及其访问权限，或者下一级页表的地址。我们以两级页表为例简单说一下虚到实的转换过程：开始是页表基址寄存器（存了一级页表的基地址），这样就来到了一级页表，根据要找的虚拟地址找到一级页表中的条目，如果此条目是段描述符，则返回物理地址结束；如果是二级页表的描述符，则继续利用虚拟地址在此二级也页表中找到条目，如果找到的条目是页描述符，则返回物理地址，结束。

单独说一下一级页表，32位CPU的虚拟地址空间为4GB，一级页表中使用了4096个描述符来表示这4GB空间，即每个描述符对应1MB的虚拟地址，这4096个描述符中存储了它各种对应的1MB物理空间的起始地址或者下一级页表的地址。

TLB(Translation Lookaside Buffer)转换检测缓冲区是一个内存管理单元,用于改进虚拟地址到物理地址转换速度的缓存。

CPU每次拿着虚拟内存去找物理地址，从概念上说，这个转换需要遍历页表，如果页表是二级页表，就需要2次内存访问才能拿个物理地址，读写数据还得访问一次。这一遍遍访问内存，遍历页表太慢。所以出现了TLB（常用的几十个虚拟地址与物理地址的对应表，当然满了会有算法去更新），CPU发出虚拟地址，MMU先访问TLB，如果有这个虚拟地址则直接用这个描述符进行地址转换和权限检查，没有再去遍历页表，找到描述符进行那俩工作，并把描述符填入TLB（TLB已满，用round-robin算法找到一个条目，覆盖它）。

Cache高速缓冲存储器，在主存和CPU通用寄存器间设置的一个高速的小存储器，，把正在执行的指令地址附近的指令或数据从主存中调入这个存储器，供CPU在一段时间内使用。启用Cache后，CPU读数据，如果Cache中有这个数据的复本则直接返回，否则从主存中读取。

TLB 和 Cache的都是一种缓存。

2，MMU

内存管理单元（Memory Management Unit）简称MMU，两个功能：虚拟地址到物理地址的映射；提供硬件机制的内存访问权限检查。

1）虚拟地址到物理地址的映射

现代的多用户多进程操作系统，通过MMU使每个用户进程都拥有自己独立的地址空间：地址映射功能使得各进程拥有“看起来”一样的地址空间。

例如WINDOWS操作系统将地址范围4M-2G划分为用户地址空间，进程A在地址0X400000（4M）映射了可执行文件，进程B同样在地址0X400000（4M）映射了可执行文件，如果A进程读地址0X400000，读到的是A的可执行文件映射到RAM的内容，而进程B读取地址0X400000时，则读到的是B的可执行文件映射到RAM的内容。

ARM的CPU上地址转换有3个概念：虚拟地址VA、变换后的虚拟地址MVA、物理地址PA。

没启动MMU时，CPU、cache、MMU、外设等所有部件使用的是物理地址；
启动MMU之后，CPU对外发出虚拟地址VA，VA被转换为MVA供cache、MMU使用，MVA在这里被转换为PA，最后使用PA读写实际的硬件设备(内部寄存器或外接设备)。

CPU核看到的、用到的只是虚拟地址VA。实际设备看不到VA和MVA，读写他们时使用的是物理地址PA。

2）提供硬件机制的内存访问权限检查

简单来说就是决定一块内存是否允许读，是否允许写。页表描述符的域（domain），描述符的AP位，CP15寄存器C3，CP15寄存器C1D R/S/A位。MMU根据这些值来进行权限检查。

《嵌入式Linux应用开发完全手册》