MMU段式映射是怎樣的

這篇文章主要介紹“MMU段式映射是怎樣的”，在日常操作中，相信很多人在MMU段式映射是怎樣的問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”MMU段式映射是怎樣的”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學習吧！

首先, 段式映射的示意圖如下:

該例程有5個文件構成:

head.s-------------入口程序

mmu.lds-----------連接文件

init.c---------------初始化文件

makefile-----------編譯連接

leds.c--------------主程序

由入口函數開始:

@*************************************************************************
@ File：head.S
@ 功能：設置SDRAM，將第二部分代碼復制到SDRAM，設置頁表，啟動MMU，
@       然后跳到SDRAM繼續執行
@*************************************************************************       

.text
.global _start
_start:
    ldr sp, =4096                       @ 設置棧指針，以下都是C函數，調用前需要設好棧
    bl  disable_watch_dog               @ 關閉WATCHDOG，否則CPU會不斷重啟
    bl  memsetup                        @ 設置存儲控制器以使用SDRAM
    bl  copy_2th_to_sdram               @ 將第二部分代碼復制到SDRAM   --- 注釋 1
    bl  create_page_table               @ 設置頁表                   --- 注釋 2                       
    bl  mmu_init                        @ 啟動MMU                    --- 注釋 3
    ldr sp, =0xB4000000                 @ 重設棧指針，指向SDRAM頂端(使用虛擬地址)
    ldr pc, =0xB0004000                 @ 跳到SDRAM中繼續執行第二部分代碼
halt_loop:
    b   halt_loop

注釋1:

//file: init.c
void copy_2th_to_sdram(void)
{
    unsigned int *pdwSrc  = (unsigned int *)2048;
    unsigned int *pdwDest = (unsigned int *)0x30004000;
    
    while (pdwSrc < (unsigned int *)4096)
    {
        *pdwDest = *pdwSrc;
        pdwDest++;
        pdwSrc++;
    }
}

//file: mmu.lds
SECTIONS { 
  firtst    0x00000000 : { head.o init.o }
  second    0xB0004000 : AT(2048) { leds.o }
}

由mmu.lds可知, 第二部分的代碼鏈接地址為2048, 加載地址為 0xB000 4000. 而init.c中將第二段的代碼放到了 0x3000 4000. 我們利用mmu將 物理地址0x3000 4000 映射到 虛擬地址0xB000 4000. 

注釋2:

void create_page_table(void)
{

/* 
 * 用于段描述符的一些宏定義
 */ 
#define MMU_FULL_ACCESS     (3 << 10)   /* 訪問權限 */
#define MMU_DOMAIN          (0 << 5)    /* 屬于哪個域 */
#define MMU_SPECIAL         (1 << 4)    /* 必須是1 */
#define MMU_CACHEABLE       (1 << 3)    /* cacheable */
#define MMU_BUFFERABLE      (1 << 2)    /* bufferable */
#define MMU_SECTION         (2)         /* 表示這是段描述符 */
#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的起始物理地址為0，第一部分程序的起始運行地址也是0，
     * 為了在開啟MMU后仍能運行第一部分的程序，
     * 將0～1M的虛擬地址映射到同樣的物理地址
     */
    virtuladdr = 0;
    physicaladdr = 0;
    *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \
                                            MMU_SECDESC_WB;

    /*
     * 0x56000000是GPIO寄存器的起始物理地址，
     * GPBCON和GPBDAT這兩個寄存器的物理地址0x56000050、0x56000054，
     * 為了在第二部分程序中能以地址0xA0000050、0xA0000054來操作GPFCON、GPFDAT，
     * 把從0xA0000000開始的1M虛擬地址空間映射到從0x56000000開始的1M物理地址空間
     */
    virtuladdr = 0xA0000000;
    physicaladdr = 0x56000000;
    *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \
                                            MMU_SECDESC;

    /*
     * SDRAM的物理地址范圍是0x30000000～0x33FFFFFF，
     * 將虛擬地址0xB0000000～0xB3FFFFFF映射到物理地址0x30000000～0x33FFFFFF上，
     * 總共64M，涉及64個段描述符
     */
    virtuladdr = 0xB0000000;
    physicaladdr = 0x30000000;
    while (virtuladdr < 0xB4000000)
    {
        *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \
                                                MMU_SECDESC_WB;
        virtuladdr += 0x100000;                //段描述符對應1M空間, 所以每次加0x100000
        physicaladdr += 0x100000;
    }
}

其中 mmu_tlb_base 被定義unsigned long 類型, 剛好占4byte 它和頁表描述符大小相同. mmu_tlb_base的值為 0x3000 0000, 表示一級頁表被放置在了SDRAM的開頭處.  

最能代表 頁表結構的一句是:

 *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | MMU_SECDESC_WB;

MVA的[31:20]等于頁表索引(table index), 對應的代碼是  (virtualaddr >> 20)

PA[31:20]等于段描述符的[31:20], 對應的代碼是 (physicaladdr & 0xFFF00000)

簡單來說就是根據MVA和TTB寄存器找到一級頁表中的段描述符, 該段描述符里存放的就是實際的物理地址, 我們的程序只是 1. 配置了 TTB寄存器 2. 把物理地址存放到了段描述符里

還有, 我們映射的區域是0x3000 0000 到 0xB000 0000, 為什么代碼從0x3000 4000開始存放呢? 因為頁表項最多有4096個, 每個4byte, 共16k, 所以前16k 保留, 防止覆蓋掉頁表區域.

注釋3:

mmu部分不詳細解釋他的各種配置了, 最重要的是將我們定好的頁表基址0x3000 0000 ,  寫入cp15的頁表基址寄存器

/*
 * 啟動MMU
 */
void mmu_init(void)
{
    unsigned long ttb = 0x30000000;

__asm__(
    "mov    r0, #0\n"
    "mcr    p15, 0, r0, c7, c7, 0\n"    /* 使無效ICaches和DCaches */
    
    "mcr    p15, 0, r0, c7, c10, 4\n"   /* drain write buffer on v4 */
    "mcr    p15, 0, r0, c8, c7, 0\n"    /* 使無效指令、數據TLB */
    
    "mov    r4, %0\n"                   /* r4 = 頁表基址 */
    "mcr    p15, 0, r4, c2, c0, 0\n"    /* 設置頁表基址寄存器 */
    
    "mvn    r0, #0\n"                   
    "mcr    p15, 0, r0, c3, c0, 0\n"    /* 域訪問控制寄存器設為0xFFFFFFFF，
                                         * 不進行權限檢查 
                                         */    
    /* 
     * 對于控制寄存器，先讀出其值，在這基礎上修改感興趣的位，
     * 然后再寫入
     */
    "mrc    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    /* 讀出控制寄存器的值 */
    
    /* 控制寄存器的低16位含義為：.RVI ..RS B... .CAM
     * R : 表示換出Cache中的條目時使用的算法，
     *     0 = Random replacement；1 = Round robin replacement
     * V : 表示異常向量表所在的位置，
     *     0 = Low addresses = 0x00000000；1 = High addresses = 0xFFFF0000
     * I : 0 = 關閉ICaches；1 = 開啟ICaches
     * R、S : 用來與頁表中的描述符一起確定內存的訪問權限
     * B : 0 = CPU為小字節序；1 = CPU為大字節序
     * C : 0 = 關閉DCaches；1 = 開啟DCaches
     * A : 0 = 數據訪問時不進行地址對齊檢查；1 = 數據訪問時進行地址對齊檢查
     * M : 0 = 關閉MMU；1 = 開啟MMU
     */
    
    /*  
     * 先清除不需要的位，往下若需要則重新設置它們    
     */
                                        /* .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 */

    /*
     * 設置需要的位
     */
    "orr    r0, r0, #0x0002\n"          /* .... .... .... ..1. 開啟對齊檢查 */
    "orr    r0, r0, #0x0004\n"          /* .... .... .... .1.. 開啟DCaches */
    "orr    r0, r0, #0x1000\n"          /* ...1 .... .... .... 開啟ICaches */
    "orr    r0, r0, #0x0001\n"          /* .... .... .... ...1 使能MMU */
    
    "mcr    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    /* 將修改的值寫入控制寄存器 */
    : /* 無輸出 */
    : "r" (ttb) );
}

 // leds.c: 循環點亮4個LED
 /* 屬于第二部分程序，此時MMU已開啟，使用虛擬地址
 */

#define GPFCON      (*(volatile unsigned long *)0xA0000050)     // 物理地址0x56000050對應虛擬地址 0xA000 0050
#define GPFDAT      (*(volatile unsigned long *)0xA0000054)     // 物理地址0x56000054對應虛擬地址 0xA000 0054

#define	GPF4_out	(1<<(4*2))
#define	GPF5_out	(1<<(5*2))
#define	GPF6_out	(1<<(6*2))

/*
 * wait函數加上“static inline”是有原因的，
 * 這樣可以使得編譯leds.c時，wait嵌入main中，編譯結果中只有main一個函數。
 * 于是在連接時，main函數的地址就是由連接文件指定的運行時裝載地址。
 * 而連接文件mmu.lds中，指定了leds.o的運行時裝載地址為0xB4004000，
 * 這樣，head.S中的“ldr pc, =0xB4004000”就是跳去執行main函數。
 */
static inline void wait(unsigned long dly)
{
    for(; dly > 0; dly--);
}

int main(void)
{
	unsigned long i = 0;

	GPFCON = GPF4_out|GPF5_out|GPF6_out;		// 將LED1,2,4對應的GPF4/5/6三個引腳設為輸出

	while(1)
	{
		wait(30000);
		GPFDAT = (~(i<<4));	 	// 根據i的值，點亮LED1,2,4
		if(++i == 8)
			i = 0;
	}

	return 0;
}

鏈接文件:??

//file: mmu.lds
objs := head.o init.o leds.o

all : $(objs)
	arm-none-eabi-ld -Tmmu.lds -o mmu_elf $^
	arm-none-eabi-objcopy -O binary -S mmu_elf $@
	arm-none-eabi-objdump -D -m arm mmu_elf > mmu.dis
	
%.o:%.c
	arm-none-eabi-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

%.o:%.S
	arm-none-eabi-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

clean:
	rm -rf mmu.bin mmu_elf mmu.dis *.o

代碼執行示意:

最后說一下TLB和cache:

TLB: 上述地址轉換只經過了一級轉換, 但是每次讀/寫數據都要訪問兩次sdram, 第一次取地址, 第二次讀寫數據. 如果是兩級頁表轉換的話則需要每次讀/寫都要訪問三次sdram, 為了提高訪問效率使用TLB來存儲要用到的若干條頁表條目(段/大頁/小頁/極小頁描述符).通常在啟動mmu之前先使無效整個TLB, 

改變頁表時, 使無效所涉及的虛擬地址對應的TLB中的條目

cache: 在cpu和通用寄存器之間設置的存儲器, 可以把正在執行的指令附近的指令或數據從主存調入這個存儲器來提高速度

到此，關于“MMU段式映射是怎樣的”的學習就結束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續學習更多相關知識，請繼續關注億速云網站，小編會繼續努力為大家帶來更多實用的文章！