OS:MMU

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了OS:MMU相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

MMU?

全称:memory management unit 【内存管理单元】

 1、CPU中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路

 2、同时也负责虚拟地址映射为物理地址

 3、以及提供硬件机制的内存访问授权

MMU的产生

 许多年以前,当人们还在使用DOS或是更古老的操作系统的时候,计算机的内存还非常小,一般都是以K为单位进行计算,相应的,当时的程序规模也不大,所以内存容量虽然小,但还是可以容纳当时的程序。但随着图形界面的兴起还用用户需求的不断增大,应用程序的规模也随之膨胀起来,终于一个难题出现在程序员的面前,那就是应用程序太大以至于内存容纳不下该程序,通常解决的办法是把程序分割成许多称为覆盖块(overlay)的片段。覆盖块0首先运行,结束时他将调用另一个覆盖块。虽然覆盖块的交换是由OS完成的,但是必须先由程序员把程序先进行分割,这是一个费时费力的工作,而且相当枯燥。人们必须找到更好的办法从根本上解决这个问题。不久人们找到了一个办法,这就是虚拟存储器(virtual memory).

虚拟存储器的基本思想:

程序,数据,堆栈的总的大小可以超过物理存储器的大小,操作系统把当前使用的部分保留在内存中,而把其他未被使用的部分保存在磁盘上,比如对一个16MB的程序和一个内存只有4MB的机器,OS通过选择,可以决定各个时刻将哪4M的内容保留在内存中,并在需要时在内存和磁盘间交换程序片段,这样就可以把这个16M的程序运行在一个只具有4M内存机器上了。而这个16M的程序在运行前不必由程序员进行分割。

地址范围: 指处理器能够产生的地址集合,如一个32bit的处理器ARM9,其能产生的地址集合是0x0000 0000 ~ 0xffff ffff(4G),这个地址范围也称为虚拟地址空间,其中对应的地址为虚拟地址

虚拟地址与物理地址: 与虚拟地址空间和虚拟地址相对应的是物理地址空间和物理地址;物理地址空间只是虚拟地址空间的一个子集。如一台内存为256MB的32bit X86主机,其虚拟地址空间是0 ~ 0xffffffff(4GB),物理地址空间范围是0 ~ 0x0fff ffff(256M)

分页机制

如果处理器没有MMU,或者有MMU但没有启用,CPU执行单元发出的内存地址将直接传到芯片引脚上,被内存芯片(以下称为物理内存,以便与虚拟内存区分)接收,这称为物理地址Physical Address,以下简称PA),如下图所示;

技术图片

如果处理器启用了MMU,CPU执行单元发出的内存地址将被MMU截获,从CPU到MMU的地址称为虚拟地址Virtual Address,以下简称VA),而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上,也就是将VA映射成PA,,如下图:

技术图片

大多数使用MMU的机器都采用分页机制。虚拟地址空间以为单位进行划分,而相应的物理地址空间也被划分,其使用的单位称为页帧,页帧和页必须保持相同,因为内存与外部存储器之间的传输是以页为单位进行传输的

例如,MMU可以通过一个映射项将VA的一页0xb70010000xb7001fff映射到PA的一页0x20000x2fff,如果CPU执行单元要访问虚拟地址0xb7001008,则实际访问到的物理地址是0x2008。

MMU的执行过程

操作系统和MMU是这样配合的:

  1. 操作系统在初始化或分配、释放内存时会执行一些指令在物理内存中填写页表,然后用指令设置MMU,告诉MMU页表在物理内存中的什么位置。

  2. 设置好之后,CPU每次执行访问内存的指令都会自动引发MMU做查表和地址转换操作,地址转换操作由硬件自动完成,不需要用指令控制MMU去做。

重要:我们在程序中使用的变量和函数都有各自的地址,在程序被编译后,这些地址就成了指令中的地址,指令中的地址就成了CPU执行单元发出的内存地址,所以在启用MMU的情况下, 程序中使用的地址均是虚拟内存地址,都会引发MMU进行查表和地址转换操作。(注意理解这句话)

内存保护机制

处理器一般有用户模式(User Mode)特权模式(privileged Mode)之分。操作系统可以在页表中设置每个页表访问权限,有些页表不可以访问,有些页表只能在特权模式下访问,有些页表在用户模式和特权模式下都可以访问,同时,访问权限又分为可读可写可执行三种。这样设定之后,当CPU要访问一个VA(Virtual Address)时,MMU会检查CPU当前处于用户模式还是特权模式,访问内存的目的是读数据、写数据还是取指令执行,如果与操作系统设定的权限相符,则允许访问,把VA转换成PA,否则不允许执行,产生异常(Exception)

异常与中断:

1、异常与中断的处理机制类似,不同的是中断由外部设备产生,而 异常由CPU内部产生的;

2、中断产生与CPU当前执行的指令无关,而异常是由于当前执行的指令出现问题导致的

通常操作系统会将虚拟地址空间划分为用户空间内核空间。例如x86平台的linux系统的虚拟地址空间范围是0x0000 0000 ~ 0xffff ffff,前3G的空间为用户空间,后1G的空间为内核空间。用户程序加载到用户空间,内核程序加载到内核空间,用户程序不能访问内核中的数据,也不能跳转到内核空间执行。这样可以保护内核,如果一个进程访问了非法地址,顶多就是这个进程崩溃,而不会影响到内核和系统的稳定性。在系统发生中断或异常时,不仅会跳转到中断或异常服务函数中执行,而且还会从用户模式切换到特权模式,从中断或异常服务程序跳转到内核代码中执行。

总结一下:在正常情况下处理器在用户模式执行用户程序,在中断或异常情况下处理器切换到特权模式执行内核程序,处理完中断或异常之后再返回用户模式继续执行用户程序。

段错误我们已经遇到过很多次了,它是这样产生的:

  1. 用户程序要访问的一个VA,经MMU检查无权访问。
  2. MMU产生一个异常,CPU从用户模式切换到特权模式,跳转到内核代码中执行异常服务程序。
  3. 内核把这个异常解释为段错误,把引发异常的进程终止掉。

参考

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以上是关于OS:MMU的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

OS-lab3

[架构之路-47]:目标系统 - 系统软件 - Linux OS硬件设备驱动 - CPU内存管理单元MMUDMA与IO内存管理单元IOMMU

MMU

MMU

MMU篇一文总结ARMv8中的MMU架构

3.MMU的配置和使用