OS：MMU

Posted 2020-11-29 pam-sh

MMU？

全称：memory management unit 【内存管理单元】

是：

　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；

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：

大多数使用MMU的机器都采用分页机制。虚拟地址空间以页为单位进行划分，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0xb7001000_{0xb7001fff映射到PA的一页0x2000}0x2fff，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）和特权模式（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、可写和可执行三种。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和内核空间。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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