MMU的作用

現代操作系統普遍採用虛擬內存管理（Virtual Memory Management）機制，這需要處理器中的MMU（Memory Management Unit，內存管理單元）提供支持，下面簡要介紹MMU的作用。

首先引入兩個概念，虛擬地址和物理地址。如果處理器沒有MMU，或者有MMU但沒有啓用，CPU執行單元發出的內存地址將直接傳到芯片引腳上，被內存芯片（以下稱爲物理內存，以便與虛擬內存區分）接收，這稱爲物理地址（Physical Address，以下簡稱PA），如下圖所示。

圖 1. 物理地址

如果處理器啓用了MMU，CPU執行單元發出的內存地址將被MMU截獲，從CPU到MMU的地址稱爲虛擬地址（Virtual Address，以下簡稱VA），而MMU將這個地址翻譯成另一個地址發到CPU芯片的外部地址引腳上，也就是將VA映射成PA，如下圖所示。

圖 2 虛擬地址

如果是32位處理器，則內地址總線是32位的，與CPU執行單元相連（圖中只是示意性地畫了4條地址線），而經過MMU轉換之後的外地址總線則不一定是32 位的。也就是說，虛擬地址空間和物理地址空間是獨立的，32位處理器的虛擬地址空間是4GB，而物理地址空間既可以大於也可以小於4GB。

MMU將VA映射到PA是以頁（Page）爲單位的，32位處理器的頁尺寸通常是4KB。例如，MMU可以通過一個映射項將VA的一頁0xb7001000~0xb7001fff映射到PA的一頁 0x2000~0x2fff，如果CPU執行單元要訪問虛擬地址0xb7001008，則實際訪問到的物理地址是0x2008。物理內存中的頁稱爲物理頁面或者頁幀（Page Frame）。虛擬內存的哪個頁面映射到物理內存的哪個頁幀是通過頁表（Page Table）來描述的，頁表保存在物理內存中，MMU會查找頁表來確定一個VA應該映射到什麼PA。

操作系統和MMU是這樣配合的：

操作系統在初始化或分配、釋放內存時會執行一些指令在物理內存中填寫頁表，然後用指令設置MMU，告訴MMU頁表在物理內存中的什麼位置。
設置好之後，CPU每次執行訪問內存的指令都會自動引發MMU做查表和地址轉換操作，地址轉換操作由硬件自動完成，不需要用指令控制MMU去做。

我們在程序中使用的變量和函數都有各自的地址，程序被編譯後，這些地址就成了指令中的地址，指令中的地址被CPU解釋執行，就成了CPU執行單元發出的內存地址，所以在啓用MMU的情況下，程序中使用的地址都是虛擬地址，都會引發MMU做查表和地址轉換操作。那爲什麼要設計這麼複雜的內存管理機制呢？多了一層VA到PA的轉換到底換來了什麼好處？All problems in computer science can be solved by another level of indirection.還記得這句話嗎？多了一層間接必然是爲了解決什麼問題的，等講完了必要的預備知識之後，將在以後討論虛擬內存管理機制的作用。

MMU除了做地址轉換之外，還提供內存保護機制。各種體系結構都有用戶模式（User Mode）和特權模式（Privileged Mode）之分，操作系統可以在頁表中設置每個內存頁面的訪問權限，有些頁面不允許訪問，有些頁面只有在CPU處於特權模式時才允許訪問，有些頁面在用戶模式和特權模式都可以訪問，訪問權限又分爲可讀、可寫和可執行三種。這樣設定好之後，當CPU要訪問一個VA時，MMU會檢查CPU當前處於用戶模式還是特權模式，訪問內存的目的是讀數據、寫數據還是取指令，如果和操作系統設定的頁面權限相符，就允許訪問，把它轉換成PA，否則不允許訪問，產生一個異常（Exception）。異常的處理過程和中斷類似，不同的是中斷由外部設備產生而異常由CPU內部產生，中斷產生的原因和CPU當前執行的指令無關，而異常的產生就是由於CPU當前執行的指令出了問題，例如訪問內存的指令被MMU檢查出權限錯誤，除法指令的除數爲0等都會產生異常。

圖 3. 處理器模式

通常操作系統把虛擬地址空間劃分爲用戶空間和內核空間，例如x86平臺的Linux系統虛擬地址空間是0x00000000~0xffffffff，前 3GB（0x00000000~0xbfffffff）是用戶空間，後1GB（0xc0000000~0xffffffff）是內核空間。用戶程序加載到用戶空間，在用戶模式下執行，不能訪問內核中的數據，也不能跳轉到內核代碼中執行。這樣可以保護內核，如果一個進程訪問了非法地址，頂多這一個進程崩潰，而不會影響到內核和整個系統的穩定性。CPU在產生中斷或異常時不僅會跳轉到中斷或異常服務程序，還會自動切換模式，從用戶模式切換到特權模式，因此從中斷或異常服務程序可以跳轉到內核代碼中執行。事實上，整個內核就是由各種中斷和異常處理程序組成的。總結一下：在正常情況下處理器在用戶模式執行用戶程序，在中斷或異常情況下處理器切換到特權模式執行內核程序，處理完中斷或異常之後再返回用戶模式繼續執行用戶程序。

段錯誤我們已經遇到過很多次了，它是這樣產生的：