ARM中MMU地址转换理解

Posted 2020-06-24 chd_zhang

首先，我们要分清ARM CPU上的三个地址：虚拟地址(VA,Virtual Address)、变换后的虚拟地址(MVA,Modified Virtual Address)、物理地址(PA,Physical Address)

    启动MMU后，CPU核对外发出虚拟地址VA，VA被转换为MVA供MMU使用，在这里MVA被转换为PA；最后通过PA读写实际设备 

    MMU的作用就是负责虚拟地址（virtual address）转化成物理地址（physical address）。 32位的CPU的虚拟地址空间达到4GB，在一级页表中使用4096个描述符来表示这4GB的空间，每个描述符代表1M的虚拟地址，要么存储了它的对应物理地址的起始地址，要么存储了下一级页表的地址。使用MVA[31:20]来索引一级页表（4096个描述符）（因为全用MVA的高12位来索引，因此大小为 2^12 = 4096）

    由协处理器CP15中的寄存器C2（高18位，即[31：14]为转换表基地址，低14位为0）为一级转换表基地址，指向2^14=16KB整除的存储器即16K对齐，这个存储区称为一级转换表；MVA的高12位，即位[31:20]作为一级转换表的地址索引，因此一级转换表具有2^12=4096项，每一项的地址为32位，最高的18位[31：14]为寄存器C2的高18位，中间12位为MVA的高12位[31:20]，最低2位为0b00。每一项的内容称为一个描述符，在段（Section）下，一级描述符的高12位为大小为1MB的段基地址，段内地址（偏移地址）为MVA的低20位，即段内每个存储器的地址是这样组成：高12位为一级描述符的高12位，低20位MVA的低20位。这样，借助于寄存器C2和一级描述符，将一个MVA转换成一个PA。（在这里一定要注意：MVA的高12位是用来索引4096个项的，然后使用项的内容（即描述符）的高12位为段的高12位，类似于指针里面存放地址，4096项类似指针，描述符类似指针里面的内容）

     虚拟地址（注意：是一个确定的地址，不是一个空间）被MMU分成2个部分，第一部分是4096页号索引（descriptor index）即用选择4096（2^12）个号中的某个页号，比喻description index为768，页号768中保存的是物理地址的某个页框的起始地址（0x300），第二部分则是相对于section base（0x300）为起始地址空间为1M的偏移量（offset）（如下图）例如： 假设现在执行指令MOV REG, 0x30100013，虚拟地址的二进制码为00110000 00010000 00000000 00010011，前12位是Descriptor Index  = 2^9+2^8+1 = 769，找到769项对应的内容0x301，偏移量为0000 00000000 00010011=13，那么段地址为0x3000000D。

 

5.地址转换的总体流程：
     第一阶段：
          （1）从虚拟地址取出前面的31-20位，作为索引。
          （2）根据索引在translation table（一级页表）中找到相应的表项。
          （3）根据表项最低两位的值决定第二阶段的转换方式。
                    00：转换无效
                    01：粗页转换
                    10：段转换
                    11：细页转换
          （4）linux系统一般用细页转换，也有一定的处理器和操作系统用段转换，很少用粗页转换。。


6.关于TTB（translation table base）
（1）translation table存放在内存中。
（2）由程序员制造，故程序员知道其基地址（TTB）。
（3）程序员将TTB写入cp15的c2寄存器（TTB寄存器）。
（4）MMU工作的时候从c2寄存器去到TTB，从而找到translation table，进而利用虚拟地址的31-20位可以在该表中找到相应的表项，开始虚拟地址到物理地址的转换。。