linux內存管理 (二) [硬件1] MMU及其運行過程 總覽

引言

爲什麼linux會發展成這個樣子,這當然是程序員對程序的要求決定的,
爲了滿足這些要求,提出了 進程地址空間抽象(1) , 其中 硬件上增加了新的模塊MMU(2), 軟件上根據MMU的使用手冊(3)更新了系統
另外在 進程地址空間抽象 的基礎上, 軟件上更新了很多新的內存特性(4).

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這裏主要講 新的模塊MMU(2),且我們這裏只看arm的mmu

ARM-MMU文檔

科普文檔

• MMU 是 soc 芯片裏面的一個硬件單元
• 去arm官網去搜mmu,得到結果
• 其中有一個 介紹性文檔 : LearnTheArchitecture-MemoryManagement-101811_0100_00_en.pdf

專業文檔

• 去http://infocenter.arm.com搜mmu,得到一個 RF 和 很多TRM(MMU-40x,MMU-500,MMU600,MMU-600AE)
• arm-mmu 的 RF : IHI0062D_c_system_mmu_architecture_specification.pdf
• arm-mmu 的TRM : corelink_mmu500_memory_management_unit_r2p4_technical_reference_manual_DDI0517F_en.pdf

MMU 與 內存管理的關係

爲了 實現 進程地址空間抽象 , 在 硬件內存管理這方面由MMU負責
硬件內存管理幹了什麼
	硬件內存管理(MMU)描述瞭如何控制對 系統內存 的訪問。
	每當操作系統或應用程序訪問內存時，硬件都會執行內存管理。
	硬件內存管理是一種將內存區域動態分配給應用程序的方法。 // 這個動態分配是什麼意思
硬件內存管理的行爲導致的效果
	支持虛擬內存系統
	軟件只能看到虛擬地址，處理器會將其轉換爲物理地址。
	這些物理地址被提供給內存系統，並指向內存中的實際物理位置。

// 動態分配???

It is optional which write allocation policies an implementation supports. 
The allocate on write and no allocate on write cache policies indicate which allocation policy is preferred for a memory region, but it should not be relied on that the memory system implements that policy.

實現支持哪些寫分配策略是可選的。
寫時分配和不寫時分配緩存策略指示內存區域首選哪個分配策略，但不應依賴於內存系統實現該策略。

MMU工作流程(三種描述方式)

• MMU工作流程文字描述

虛擬地址和物理地址的轉換 總覽
	映射轉換(翻譯) 的過程
		所需成員:
			cpu mmu mmu中的TLBs mmu中的TableWalkUnit cache 主存中的轉換表(頁表) 主存中其他部分

		1.取指令,譯碼
		2.執行load指令(讀一個內存地址中的值(value)到r0,內存地址爲虛擬地址 va)
			2.1 獲取 物理地址 pa
				2.1.1 從 TLBs 中 獲取 pa ,如果獲取不到則執行2.1.2
				2.1.2 mmu中的TableWalkUnit 從 主存中的轉換表(頁表) 中獲取 pa
			2.2 根據物理地址 pa 獲取 value
				2.2.1 從 cache 中獲取 value,如果獲取不到則執行2.2.2
				2.2.2 從 主存中其他部分 中獲取 value.

	
	主內存 中的 轉換表 填充了 映射轉換 
	映射轉換
		虛擬地址通過映射轉換爲物理地址。
		虛擬地址和物理地址之間的映射存儲在轉換表（有時稱爲頁表）
	轉換表:
		轉換表位於內存中，並由軟件（通常是OS或管理程序）進行管理。
		轉換表不是靜態的，並且可以根據軟件需求的變化來更新這些表。
		這將更改虛擬地址和物理地址之間的映射。

• MMU工作流程圖解
  

• MMU工作流程僞代碼描述

/*
	level-fetch:
		zhanweifu
		first-level-fetch  // 獲取第1級頁表項的函數
		second-level-fetch // 獲取第2級頁表項的函數
		third-level-fetch  // 獲取第3級頁表項的函數
		fourth-level-fetch // 獲取第4級頁表項的函數
		zhanweifu2
 */

void walktable(int vma,int *pa){
	level-fetch = zhanweifu;

	do{
		level-fetch = next-level-fetch(level-fetch);
		if (level-fetch == zhanweifu2){
			throw execption;
			return;
		}

		table-item=level-fetch(vma);
		
		is-permission=do-permission-check(current-state,Attributes-of-table-item(table-item));
		if(!is-permission){
			throw execption;
			return;
		}

		is-data-block-index = do-data-block-index-check(Attributes-of-table-item(table-item));

	}while(!is-data-block-index);

	pa = calc-pa(addr-base-of-table-item(table-item),vma);
	return ;
}

int get_value(int pa){
	is_cache_miss = get_value_from_cache(pa,&value);
	if (is_cache_miss){
		get_value_from_ddr(pa,&value);
	}

	return value;
}

int get_pa(int vma){
	is_tlb_miss = tlb(vma,&pa)
	if (is_tlb_miss){
		try {
			walktable(vma,&pa);
		}catch (Exception XXX){
			//TODO
		}
	}
	
	return pa;
}

int mmu(int vma){
	pa = get_pa(vma);
	value = get_value(pa);
	return value;
}

void cpu(void){ // main
	try {
		value = mmu(vma);
	}catch (Exception alignment fault){
		//TODO
	}catch (Exception translation fault){
		//TODO
	}catch (Exception domain fault){
		//TODO
	}catch (Exception permission fault){
		//TODO
	}
}