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一．虛存的工作原理 為了使任務(wù)有各自的虛擬存儲(chǔ)映射，MMU硬件采用地址重定位（address relocation），即在地址訪問(wèn)主存之前，轉(zhuǎn)換由處理器核輸出的存儲(chǔ)器地址。可認(rèn)為在介于內(nèi)核和主存間的MMU中有一個(gè)重定位寄存器，這樣就能很容易理解這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程。 當(dāng)處理器核產(chǎn)生一個(gè)虛擬地址時(shí)，MMU取出這個(gè)虛擬地址的高位，并用重定位寄存器中的值來(lái)替換它，從而形成一個(gè)物理地址。虛擬地址的低位是一個(gè)偏移量，它轉(zhuǎn)換成物理存儲(chǔ)器的一個(gè)特定地址。一個(gè)重定位寄存器只能轉(zhuǎn)換一塊存儲(chǔ)空間，這塊存儲(chǔ)空間的大小由虛擬地址的偏移量部分所占的位數(shù)所決定。這樣的一塊虛擬存儲(chǔ)空間稱為一頁(yè)（page）,而轉(zhuǎn)換過(guò)程中所對(duì)應(yīng)的那塊物理存儲(chǔ)空間稱為一個(gè)頁(yè)幀（page frame）。 ARM MMU臨時(shí)存放轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的一組重定位寄存器實(shí)際上是一個(gè)由64個(gè)重定位寄存器組成的全相聯(lián)cache。這個(gè)cache稱為轉(zhuǎn)換旁路緩沖器（TLB），TLB緩存最近被訪問(wèn)的頁(yè)的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。除了使用重定位寄存器外，MMU還使用主存中的表來(lái)存放描述系統(tǒng)中用到的虛擬存儲(chǔ)器映射的數(shù)據(jù)，這些轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的表稱為頁(yè)表（page tables）。頁(yè)表中的每個(gè)頁(yè)表項(xiàng)PTE（Page Table Entry）包含關(guān)于虛擬頁(yè)的以下信息：用于將虛擬頁(yè)轉(zhuǎn)換為物理頁(yè)的物理基地址，分配給該頁(yè)的訪問(wèn)權(quán)限，頁(yè)的cache和寫緩沖器配置。 通過(guò)上下文切換時(shí)激活不同的頁(yè)表，使得執(zhí)行有重疊虛擬地址的多個(gè)任務(wù)成為可能。MMU可以重定位一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行地址，而無(wú)需在物理存儲(chǔ)器中移動(dòng)這個(gè)任務(wù)。任務(wù)的物理存儲(chǔ)空間只是簡(jiǎn)單地通過(guò)激活和不激活頁(yè)表來(lái)映射到虛擬存儲(chǔ)空間。當(dāng)剛剛提到的地址轉(zhuǎn)換發(fā)生時(shí)，cache可能包括無(wú)效的，從舊的頁(yè)表映射來(lái)的虛擬數(shù)據(jù)。為了保證存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的一致性，cache可能需清理和清除。TLB可能也需清除，因?yàn)樗部赡芫彺媪伺f的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 任務(wù)切換需要以下步驟： 1）保存活躍任務(wù)的上下文，并將該任務(wù)置于睡眠態(tài)； 2）清除cache，如果使用回寫策略，則需要清理D-cache； 3）清除TLB，從而移除原任務(wù)的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)； 4）配置MMU，以使用新的頁(yè)表，把虛擬運(yùn)行空間轉(zhuǎn)換為被喚醒任務(wù)在物理存儲(chǔ)器中的位置； 5）恢復(fù)被喚醒任務(wù)的上下文 6）繼續(xù)執(zhí)行恢復(fù)的任務(wù) 二．頁(yè)表 ARM MMU硬件采用2級(jí)頁(yè)表結(jié)構(gòu)：一級(jí)頁(yè)表（L1）和二級(jí)頁(yè)表（L2）。一級(jí)頁(yè)表只有一個(gè)L1主頁(yè)表（L1 master page table）。L1主頁(yè)表包含兩種類型的頁(yè)表項(xiàng)：保存指向二級(jí)頁(yè)表起始地址指針的頁(yè)表項(xiàng)和保存用于轉(zhuǎn)換1MB段的頁(yè)表項(xiàng)。L1主頁(yè)表也稱為段頁(yè)表（section page table）。L1主頁(yè)表將4GB的地址空間劃分為多個(gè)1MB的段（section），因此L1頁(yè)表包含4096個(gè)頁(yè)表項(xiàng)，L1主頁(yè)表是一個(gè)混合表，可作為L(zhǎng)2頁(yè)表的頁(yè)目錄，也可作為用于轉(zhuǎn)換1MB虛擬空間的L2粗（coarse）頁(yè)表或L2細(xì)（fine）頁(yè)表的指針；當(dāng)L1頁(yè)表用于轉(zhuǎn)換一個(gè)1MB的段時(shí)，其頁(yè)表項(xiàng)（PTE）包含的是物理存儲(chǔ)器中1MB頁(yè)幀（page frame）的首地址。目錄頁(yè)表項(xiàng)和1MB的段頁(yè)表項(xiàng)可以共存于L1主頁(yè)表。 一級(jí)頁(yè)表項(xiàng)： 一級(jí)頁(yè)表支持4種類型的頁(yè)表項(xiàng)： 1）1MB段轉(zhuǎn)換項(xiàng) 2）指向L2細(xì)頁(yè)表的目錄項(xiàng) 3）指向L2粗頁(yè)表的目錄項(xiàng) 4）產(chǎn)生中止異常的錯(cuò)誤項(xiàng) 二級(jí)頁(yè)表項(xiàng)： L2頁(yè)表有4種可能的頁(yè)表項(xiàng)： 1）定義64KB頁(yè)幀屬性的大（large）頁(yè)表項(xiàng)； 2）定義4KB頁(yè)幀的�。╯mall）頁(yè)表項(xiàng)； 3）定義1KB頁(yè)幀的微（tiny）頁(yè)表項(xiàng)； 4）訪問(wèn)時(shí)產(chǎn)生頁(yè)錯(cuò)誤中止異常的錯(cuò)誤頁(yè)表項(xiàng)； L1轉(zhuǎn)換表基址 CP15：c2寄存器保存轉(zhuǎn)換表基地址TTB（Translation Table Base address）-指向L1主頁(yè)表在虛存中的位置。CP15:c2寄存器的格式如圖： 三．轉(zhuǎn)換旁路緩沖器（TLB） 單步頁(yè)表搜索： 如果MMU搜索的是1MB大小的段頁(yè)，則硬件能用單步搜索找到所要的頁(yè)表項(xiàng)，因?yàn)?MB的頁(yè)表項(xiàng)是存放在L1主頁(yè)表里的。 2步頁(yè)表搜索： 如果MMU搜索的是大小為1KB，4KB，16KB或64KB的頁(yè)，則頁(yè)表搜索須執(zhí)行2步才能找到地址轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 四．域和訪問(wèn)權(quán)限 有兩種不同的控制用來(lái)管理一個(gè)任務(wù)的存儲(chǔ)器訪問(wèn)權(quán)限，：域（domain）用于主控制（primay control），頁(yè)表中的訪問(wèn)權(quán)限用于次控制（secondary control）。有16種不同的域可以分配給虛存的1MB段，并通過(guò)設(shè)置L1主頁(yè)表項(xiàng)（PTE）中的域的有關(guān)位（位域）來(lái)分配給一個(gè)段。 當(dāng)一個(gè)域分配給了一個(gè)段時(shí)，它必須遵守分配給這個(gè)域的訪問(wèn)權(quán)限。域的訪問(wèn)權(quán)限在CP15：c3寄存器中分配，它控制處理器核訪問(wèn)虛存段的能力。16個(gè)可用的域，每個(gè)域使用CP15：c3寄存器的2位來(lái)定義訪問(wèn)權(quán)限，域訪問(wèn)位取值及對(duì)應(yīng)的意義如下表所列： 基于頁(yè)表的訪問(wèn)權(quán)限。頁(yè)表項(xiàng)中的AP位決定該頁(yè)的訪問(wèn)權(quán)限�！癆P”，“ap3”，“ap2”，“ap1”，“ap0”結(jié)合CP15寄存器C1的R/S位，決定如何進(jìn)行訪問(wèn)權(quán)限檢查。段描述符中的“AP” 控制整個(gè)段（1MB）的訪問(wèn)權(quán)限；大頁(yè)描述符中的每個(gè)“apx”（x為0～3）控制一個(gè)大頁(yè)（64KB）中1/4內(nèi)存的訪問(wèn)權(quán)限，即“ap3”對(duì)應(yīng)大頁(yè)高端的16KB，“ap0”對(duì)應(yīng)大頁(yè)低端的16KB；小頁(yè)描述符與大頁(yè)描述符相似，每個(gè)“apx”控制一個(gè)小頁(yè)（4KB）的1/4內(nèi)存的訪問(wèn)權(quán)限。極小頁(yè)中的“ap”就控制整個(gè)極小頁(yè)1KB的訪問(wèn)權(quán)限。 五．Cache和寫緩沖 六．CP15:c1控制寄存器 七．快速上下文切換擴(kuò)展 快速上下文切換擴(kuò)展FCSE（Fast Context Switch Extension），是MMU中的一個(gè)附加硬件，用于提高ARM嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)性能。FCSE使得多個(gè)獨(dú)立的任務(wù)可以運(yùn)行在一個(gè)固定的重疊存儲(chǔ)空間中，而上下文切換時(shí)又不需要清理或清除cache，或TLB。如果沒(méi)有FCSE，則從一個(gè)任務(wù)切換到另一個(gè)任務(wù)需要改變虛擬存儲(chǔ)映射。如果涉及兩個(gè)有重疊地址的任務(wù)，則保存在cache和TLB中的信息將變?yōu)闊o(wú)效，這樣系統(tǒng)就必須清除cache和TLB中的無(wú)效數(shù)據(jù)。清除這些模塊的過(guò)程使任務(wù)切換增加了很多時(shí)間，因?yàn)閮?nèi)核不僅要清除cache和TLB中的無(wú)效數(shù)據(jù)，還要從主存中裝載新的數(shù)據(jù)到cache和TLB。使用FCSE，虛擬存儲(chǔ)管理增加了一次地址轉(zhuǎn)換。FCSE在虛擬地址到達(dá)cache和TLB前，使用一個(gè)特殊的，包含進(jìn)程ID值的重定位寄存器來(lái)修改虛擬地址。把修改之前的虛存地址稱為VA（Virtual Address），把第一次轉(zhuǎn)換之后的地址稱為修改后虛地址MVA（Modified Virtual Address）。這樣，任務(wù)間的切換就不用涉及到改變頁(yè)表，只需簡(jiǎn)單的將新任務(wù)的進(jìn)程ID寫到位于CP15的FCSE進(jìn)程ID寄存器。為了利用FCSE，編譯鏈接所有的任務(wù)，使他們都運(yùn)行在虛存的第一個(gè)32MB塊空間，為每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)進(jìn)程ID；然后通過(guò)下邊的公式，將每個(gè)任務(wù)放置在修改后虛存的不同32MB分區(qū)中： MVA = VA +（0x2000000 * 進(jìn)程ID） 下圖是一個(gè)快速上下文切換擴(kuò)展的例子：在一個(gè)3任務(wù)的多任務(wù)環(huán)境中，切換前任務(wù)1運(yùn)行，切換后任務(wù)2運(yùn)行。 作者：李萬(wàn)鵬 |
