SylixOS中ARM架构的MMU实现分析
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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SylixOS中ARM架构的MMU实现分析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
1. 理论知识
1.1 快表（TLB）与页表
在虚拟页式存储管理中设置了快表（TLB），用于保存正在运行进程页表的子集，通常快表存放在高速缓冲存储器（Cache）中。
而页表存放在内存中，并通过特殊功能寄存器（TTB）等告知系统页表存储在内存中的基址。
1.2 一级页表格式
1.2.1 一级页表描述符地址转换
ARM的一级页表的描述符中的地址区域可以指向一个段描述符的地址，也可以指向二级页表的地址。
1.2.2 一级页表描述符内容
SylixOS中采用了Coarse page table（粗粒度二级页表），即一级页表的描述符中的地址区域指向的是二级页表的基址。
- Bits[1:0]：表示描述符的类型，0b01表示是一个粗粒度页表描述符。
- Bits[4:2]：未定义，为0。
- Bits[8:5]：页表描述符所指定的页的域属性。
- Bit[9]：未定义。
- Bits[31:10]：指向二级页表访问的基址，需1KB对齐。
1.3 二级页表格式
1.3.1 使用粗粒度二级页表的转换过程
1) 通过“转换表基址”与“虚拟地址”，得到一级页表描述符的地址；
2) 即可以得到一级描述符；
3) 将一级描述符中的“二级页表基址部分”与“虚拟地址的[19:12]位”合并，得到二级页表描述符的地址；
4) 即可以得到二级描述符。
1.3.2 二级页表描述符内容
SylixOS使用了Extended small page，即每个页以4KB为对齐。
- Bits[1:0]：表示描述符的类型，0b1Xn表示是一个扩展的小页表描述符。
- Bits[3:2]：可缓冲标志位。
- Bits[5:4]：访问权限位。
- Bits[31:12]：小页的页面基地址，4KB对齐。
1.4 虚拟地址到物理地址的转换过程
1) 通过“转换表基址”与“虚拟地址”，得到一级页表描述符的地址，即可得到一级描述符；
2) 将一级描述符中的“二级页表基址部分”与“虚拟地址的[19:12]位”合并，得到二级页表描述符的地址，即可得到二级描述符。
3) 将二级描述符中的“页基址”与“虚拟地址的[11:0]位”合并，得到转换后的物理地址。
#2. ARM架构实现的MMU接口
| 系统接口 | ARM架构接口 | 功能描述 |
|---|---|---|
| __VMM_MMU_MEM_INIT | armMmuMemInit | 初始化MMU页表内存 |
| __VMM_MMU_GLOBAL_INIT | armMmuGlobalInit | 体系相关的关键数据初始化 |
| __VMM_MMU_PGD_ALLOC | armMmuPgdAlloc | 分配一级页表描述符 |
| __VMM_MMU_PGD_OFFSET | armMmuPgdOffset | 获取一级页表描述符地址 |
| __VMM_MMU_PTE_ALLOC | armMmuPteAlloc | 分配二级页表描述符 |
| __VMM_MMU_MAKE_TRANS | armMmuMakeTrans | 设置页面映射关系 |
| __VMM_MMU_INV_TLB | armMmuInvTLB | 无效快表操作 |
| __VMM_MMU_MAKE_CURCTX | armMmuMakeCurCtx | 设置MMU当前上下文 |
2.1 初始化MMU页表内存
在SylixOS中，一级页表全局公有，这样在进程切换的过程中无需切换页表，保证了实时性。
armMmuMemInit函数的功能有如下几点：
1、 开辟一级页表内存，默认的一级页表大小为16KB，页表数量为1个；
2、 开辟二级页表内存，默认的二级页表大小为1KB，页表数量为2048个；
3、 开辟的内存都采用定长分区的管理方式，根据对应页表数量进行定长分区初始化。
2.2 体系相关的关键数据初始化
armMmuGlobalInit函数内根据ARM架构的特殊性，对其定义的相关特殊功能寄存器进行了设置，如：
1、 快表置无效；
2、 设置域属性。
此函数对应不同平台时，需要设置的内容项会不同。
2.3 一级页表相关操作
2.3.1 分配一级页表描述符
static LW_PGD_TRANSENTRY *armMmuPgdAlloc (PLW_MMU_CONTEXT pmmuctx,
addr_t ulAddr)
{
REGISTER LW_PGD_TRANSENTRY *p_pgdentry =
(LW_PGD_TRANSENTRY *)API_PartitionGet(_G_hPGDPartition);
if (!p_pgdentry) {
return (LW_NULL);
}
lib_bzero(p_pgdentry, PGD_BLOCK_SIZE); /* 新的 PGD 无有效的页表项 */
/* 获取一级页表描述符的地址 */
p_pgdentry = (LW_PGD_TRANSENTRY *)((addr_t)p_pgdentry
| ((ulAddr >> LW_CFG_VMM_PGD_SHIFT) << 2));
return (p_pgdentry);
}此函数在初始化的过程中调用，对其操作的分析：
1、 获取一级页表对应的定长分区基址，之后将一级页表内所有内容置空；
2、 当ulAddr为0时，返回的是一级页表的基地址；否则返回的是对应的一级页表描述符的地址，其地址转换的规则如图 1.1所示。
2.3.2 获取一级页表描述符地址
static LW_PGD_TRANSENTRY *armMmuPgdOffset (PLW_MMU_CONTEXT pmmuctx,
addr_t ulAddr)
{
REGISTER LW_PGD_TRANSENTRY *p_pgdentry = pmmuctx->MMUCTX_pgdEntry;
p_pgdentry = (LW_PGD_TRANSENTRY *)((addr_t)p_pgdentry
| ((ulAddr >> LW_CFG_VMM_PGD_SHIFT) << 2)); /* 获得一级页表描述符地址 */
return (p_pgdentry);
}此函数返回的是一级页表描述符的地址，其地址转换的规则如图 1.1所示。
2.3.3 构建一级页表描述符
static LW_PGD_TRANSENTRY armMmuBuildPgdesc (UINT32 uiBaseAddr,
UINT8 ucAP,
UINT8 ucAP2,
UINT8 ucDomain,
UINT8 ucCB,
UINT8 ucTEX,
UINT8 ucXN,
UINT8 ucType)
{
LW_PGD_TRANSENTRY uiDescriptor;
switch (ucType) {
case COARSE_TBASE: /* 指向二级页表粗粒度描述符 */
uiDescriptor = (uiBaseAddr & 0xFFFFFC00)
| (ucDomain << 5)
| (VMSA_NS << 3)
| ucType;
break;
……
default:
uiDescriptor = 0; /* 访问失效 */
break;
}
return (uiDescriptor);
}armMmuBuildPgdesc函数按照格式构建了一级页表描述符的内容，其为指向一个二级页表的粗粒度描述符。
2.4 二级页表相关操作
2.4.1 分配二级页表描述符
static LW_PTE_TRANSENTRY *armMmuPteAlloc (PLW_MMU_CONTEXT pmmuctx,
LW_PMD_TRANSENTRY *p_pmdentry,
addr_t ulAddr)
{
#if LW_CFG_CACHE_EN > 0
INTREG iregInterLevel;
#endif /* LW_CFG_CACHE_EN > 0 */
UINT8 ucAP; /* 存储权限 */
UINT8 ucDomain; /* 域 */
UINT8 ucCB; /* CACHE 与缓冲区控制 */
UINT8 ucAP2; /* 存储权限 */
UINT8 ucTEX; /* CACHE 与缓冲区控制 */
UINT8 ucXN; /* 永不执行位 */
LW_PTE_TRANSENTRY *p_pteentry =
(LW_PTE_TRANSENTRY *)API_PartitionGet(_G_hPTEPartition);
if (!p_pteentry) {
return (LW_NULL);
}
lib_bzero(p_pteentry, PTE_BLOCK_SIZE);
armMmuFlags2Attr(LW_VMM_FLAG_VALID |
LW_VMM_FLAG_ACCESS |
LW_VMM_FLAG_GUARDED |
LW_VMM_FLAG_WRITABLE|
LW_VMM_FLAG_EXECABLE,
&ucAP, &ucAP2,
&ucDomain,
&ucCB, &ucTEX,
&ucXN);
/* 设置一级页表描述符的内容，即设置二级页面基地址 */
*p_pmdentry = (LW_PMD_TRANSENTRY)armMmuBuildPgdesc((UINT32)p_pteentry,
ucAP, ucAP2,
ucDomain,
ucCB, ucTEX,
ucXN,
COARSE_TBASE);
#if LW_CFG_CACHE_EN > 0
iregInterLevel = KN_INT_DISABLE();
armDCacheFlush((PVOID)p_pmdentry, (PVOID)p_pmdentry, 32);/*第三个参数无影响*/
KN_INT_ENABLE(iregInterLevel);
#endif /* LW_CFG_CACHE_EN > 0 */
return (armMmuPteOffset(p_pmdentry, ulAddr));
}此函数操作的分析：
- armMmuFlags2Attr函数的作用是将SylixOS使用的MMU标志按照ARM架构进行对应转换。
- 调用armMmuBuildPgdesc构建一级页表描述符的内容。
- 调用armMmuPteOffset获取二级页表描述符地址。
2.4.2 获取二级页表描述符地址
static LW_PTE_TRANSENTRY *armMmuPteOffset (LW_PMD_TRANSENTRY *p_pmdentry,
addr_t ulAddr)
{
REGISTER LW_PTE_TRANSENTRY *p_pteentry;
REGISTER UINT32 uiTemp;
uiTemp = (UINT32)(*p_pmdentry); /* 获得二级页表描述符 */
/* 二级页表基地址为一级描述符的【31-10】位 */
p_pteentry = (LW_PTE_TRANSENTRY *)(uiTemp & (~(LW_CFG_KB_SIZE - 1)));
/* 获得粗粒度二级页表基地址 */
/* 二级页表描述符地址为 二级页表基址 + 虚拟地址的【19-12】位，见1.3.1 */
p_pteentry = (LW_PTE_TRANSENTRY *)((addr_t)p_pteentry
| ((ulAddr >> 10) & 0x3FC)); /* 获得对应虚拟地址页表描述符 */
return (p_pteentry);
}2.4.3 构建二级页表描述符
static LW_PTE_TRANSENTRY armMmuBuildPtentry (UINT32 uiBaseAddr,
UINT8 ucAP,
UINT8 ucAP2,
UINT8 ucDomain,
UINT8 ucCB,
UINT8 ucTEX,
UINT8 ucXN,
UINT8 ucType)
{
LW_PTE_TRANSENTRY uiDescriptor;
switch (ucType) {
case SMALLPAGE_DESC: /* 小页描述符 */
uiDescriptor = (uiBaseAddr & 0xFFFFF000)
| (VMSA_nG << 11)
| (VMSA_S << 10)
| (ucAP2 << 9)
| (ucTEX << 6)
| (ucAP << 4)
| (ucCB << 2)
| (ucXN << 0)
| ucType;
break;
default:
uiDescriptor = 0; /* 访问失效 */
break;
}
return (uiDescriptor);
}2.5 其他MMU的操作接口
2.5.1 设置MMU当前上下文
static VOID armMmuMakeCurCtx (PLW_MMU_CONTEXT pmmuctx)
{
REGISTER LW_PGD_TRANSENTRY *p_pgdentry;
if (LW_NCPUS > 1) {
/*
* Set location of level 1 page table
* ------------------------------------
* 31:14 - Base addr
* 13:7 - 0x0
* 6 - IRGN[0] 0x1 (Normal memory,
* Inner Write-Back Write-Allocate Cacheable)
* 5 - NOS 0x0 (Outer Shareable)
* 4:3 - RGN 0x1 (Normal memory,
* Outer Write-Back Write-Allocate Cacheable)
* 2 - IMP 0x0
* 1 - S 0x1 (Shareable)
* 0 - IRGN[1] 0x0 (Normal memory,
* Inner Write-Back Write-Allocate Cacheable)
*/
p_pgdentry = (LW_PGD_TRANSENTRY *)((ULONG)pmmuctx->MMUCTX_pgdEntry
| (1 << 6)
| ((!VMSA_S) << 5)
| (1 << 3)
| (0 << 2)
| (VMSA_S << 1)
| (0 << 0));
} else {
/*
* Set location of level 1 page table
* ------------------------------------
* 31:14 - Base addr
* 13:7 - 0x0
* 5 - NOS 0x1 (Outer NonShareable)
* 4:3 - RGN 0x1 (Normal memory,
* Outer Write-Back Write-Allocate Cacheable)
* 2 - IMP 0x0
* 1 - S 0x0 (NonShareable)
* 0 - C 0x1 (Inner cacheable)
*/
p_pgdentry = (LW_PGD_TRANSENTRY *)((ULONG)pmmuctx->MMUCTX_pgdEntry
| ((!VMSA_S) << 5)
| (1 << 3)
| (0 << 2)
| (VMSA_S << 1)
| (1 << 0));
}
armMmuSetTTBase(p_pgdentry);
armMmuSetTTBase1(p_pgdentry);
}TTBR0、TTBR1的格式如下图所示。
TTBR0的格式：
TTBR1的格式：
以上是关于SylixOS中ARM架构的MMU实现分析的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
"arch/arm/kernel/head.S"里面一点片段的理解