MMU

Posted 2020-07-01 Cheetos

现代操作系统普遍采用虚拟内存管理（Virtual Memory Management）机制

这需要处理器中的MMU（Memory Management Unit，内存管理单元）提供支持

ps:MMU是设计在CPU内部的。

 

引入两个概念，虚拟地址和物理地址

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）

 

如果是32位处理器，则内地址总线是32位的，与CPU执行单元相连，而经过MMU转换之后的外地址总线则不一定是32位的。也就是说，虚拟地址空间和物理地址空间是独立的，32位处理器的虚拟地址空间是4GB，而物理地址空间既可以大于也可以小于4GB

 

MMU将VA映射到PA是以页（Page）为单位的

32位处理器的页尺寸通常是4KB

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

 

 

物理内存中的页称为物理页面或者页帧（Page Frame）。

虚拟内存的哪个页面映射到物理内存的哪个页帧是通过页表（Page Table）来描述的

页表保存在物理内存中，MMU会查找页表来确定一个VA应该映射到什么PA。

ps：页表有点像 VA 的户口本

 

 

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。
我们在程序中使用的变量和函数都有各自的地址，程序被编译后，这些地址就成了指令中的地址，指令中的地址被CPU解释执行，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，程序中使用的地址都是虚拟地址，都会引发MMU做查表和地址转换操作

 

 

那为什么要设计这么复杂的内存管理机制呢？多了一层VA到PA的转换到底换来了什么好处？All problems incomputer science can be solved by another level of indirection.还记得这句话吗？多了一层间接必然是为了解决什么问题的

MMU除了做地址转换之外，还提供内存保护机制。各种体系结构都有用户模式（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内存页面的访问权限，有些页面不允许访问，有些页面只有在CPU处于特权模式时才允许访问，有些页面在用户模式和特权模式都可以访问，访问权限又分为可读、可写和可执行三种。这样设定好之后，当CPU要访问一个VA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，如果和操作系统设定的页面权限相符，就允许访问，把它转换成PA，否则不允许访问，产生一个异常（Exception）。异常的处理过程和中断类似，不同的是中断由外部设备产生而异常由CPU内部产生，中断产生的原因和CPU当前执行的指令无关，而异常的产生就是由于CPU当前执行的指令出了问题，例如访问内存的指令被MMU检查出权限错误，除法指令的除数为0等都会产生异常。

 

 

通常操作系统把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系统虚拟地址空间是0x00000000~0xffffffff

前3GB（0x00000000~0xbfffffff）是用户空间

后1GB（0xc0000000~0xffffffff）是内核空间

用户程序加载到用户空间

在用户模式下执行

不能访问内核中的数据

也不能跳转到内核代码中执行

这样可以保护内核

如果一个进程访问了非法地址

顶多这一个进程崩溃

而不会影响到内核和整个系统的稳定性

CPU在产生中断或异常时不仅会跳转到中断或异常服务程序

还会自动切换模式

从用户模式切换到特权模式

因此从中断或异常服务程序可以跳转到内核代码中执行

事实上

整个内核就是由各种中断和异常处理程序组成的