嵌入式中 MMU的功能

　　学习嵌入式才发现要看的书太多，外面的世界很精彩啊，现在来说说MMU吧，MMU是Memory Management Unit的缩写，是用来管理虚拟内存系统的器件。 MMU通常是CPU的一部分，本身有少量存储空间存放从虚拟地址到物理地址的匹配表。此表称作TLB(转换旁置缓冲区)。所有数据请求都送往MMU，由 MMU决定数据是在RAM内还是在大容量存储器设备内。如果数据不在存储空间内，MMU将产生页面错误中断。在现代处理器中扮演着非常重要的角色。操作系统通过使用处理器的MMU功能，能够实现很多功能，具体如下：（MMU所起的作用也可参考http://wenku.baidu.com/view/09085f7427284b73f242502f.html）

I. 虚拟内存。有了虚拟内存，可以在处理器上运行比实际物理内存大的应用程序。为了使用虚拟内存，操作系统通常要设置一个交换分区（通常是硬盘），通过将不活跃的内存中的数    据放入交换分区，操作系统可以腾出其空间来为其它的程序服务。虚拟内存是通过虚拟地址来实现的。

II. 内存保护。根据需要对特定的内存区块的访问进行保护，通过这一功能，我们可以将特定的内存块设置成只读、只写或是可同时读写。

　　在嵌入式系统中，通常不会使用虚拟地址这一功能，因为它会使得任务的调度时间不具确定性。还有另一个原因就是，嵌入式系统的存储空间通常很小，有的只采用FLASH作为存储介质，并没有特定的空间用做交换分区。那在嵌入式系统中，MMU会用来做内存保护吗？是的，MMU在嵌入式系统中主要是用来做内存保护用的。还记得《程序中的段》中所提到的.text段和.rdata段吗？我们说这两个段通常是相邻放在连续的内存块中的，且这块内存会是只读的，而这就需要MMU来帮忙了！将这两个段所在的内存区块设置成只读的目的是，可以防止其内容被出错的程序意外的改写了。对于设置成只读的内存区当被意外的改写时，处理器会产生一个段异常，而操作系统则利用这一异常产生一个core（或dump）文件。通过这一文件，我们可以分析出是哪一段程序试图去改写只读内存的。应当说采用了内存保护的方法，可能使得程序出错时，我们找到问题的根源会相对的容易和快，因为其更接近出错的程序点。如果不具有内存保护功能，那么有可能程序去改写.text或.rdata段所在的区块时，还能运行，最后出错的地方可能离实际的出错点更为的“远”。

　　那是谁来负责将.text和.rdata段设置成只读的呢？通常这可以在我们的应用程序在初始化操作系统时完成。

　　对于MMU的一个特性我们在此不得不提及，MMU中存在页的概念，对于所有的MMU功能其操作都是以页的大小来进行的。比如，对于32位的x86处理器其页的大小是4K字节。在采用MMU设置内存的读写属性时，我们必须将页的起始地址作为设置参数，且这一地址必须是页的整数倍，k或者说地址必须是页对齐的。那从嵌入式系统开发的角度来看，我们需要注意什么呢？我们必须保护.text的起始地址必须是页对齐的，这是通过设置连接器的脚本来达到目的，即将.text段的起始地址设置成以页大小进行对齐，还有吗？先看图 1，为了解释方便我们假设.rdata段也在.text段中，且.text的起始地址已经采用连接器脚本设置成了页对齐的。

图 1

我们说了对于MMU的操作是以页来进行的，那我们得保证.text的大小是页的整数倍，那如何保证？很简单，将.data段的起始地址也通过连接器脚本设置成页对齐就行了。这样看来，为了使用MMU，可能会造成一点点的内存空间浪费，因为当.text的大小不是页的整数倍时，我们得将其变成页的整数倍，即实际的.text段与.data段可能会有空隙。图 2中示例了将.text段和.data段的起始地址设置成页对齐。

图 2

 在实践中，使用MMU解决了如下几个问题：
①使用DRAM作为大容量存储器时，如果DRAM的物理地址不连续，这将给程序的编写调试造成极大不便，而适当配置MMU可将其转换成虚拟地址连续的空间。
②ARM内核的中断向量表要求放在0地址，对于ROM在0地址的情况，无法调试中断服务程序，所以在调试阶段有必要将可读写的存储器空间映射到0地址。
③系统的某些地址段是不允许被访问的，否则会产生不可预料的后果,为了避免这类错误,可以通过MMU匹配表的设置将这些地址段设为用户不可存取类型。
   启动程序中生成的匹配表中包含地址映射，存储页大小(1M,64K,或4K)以及是否允许存取等信息。
例如:目标板上的16兆DRAM的物理地址区间为0xc000，0000～0xc07f，ffff;0xc100，0000～0xc17f，ffff;16兆ROM的虚拟地址区间为:0x0000，0000～0x00ff，ffff。          匹配表配置如下:
      可以看到左边是连续的虚拟地址空间，右边是不连续的物理地址空间，而且将DRAM映射到了0地址区间。 MMU通过虚拟地址和页面表位置信息，按照转换逻辑获得对应物理 地址，输出到地址总线上。

应注意到的是使能MMU后，程序继续运行，但是对于程序员来说程序计数器的指针已经改变，指向了ROM所对应的虚拟地址。