ARM的MMU介绍

ARM的MMU（内存管理单元）是ARM架构中一个至关重要的组件，它负责内存地址的转换、内存访问的权限控制以及内存保护等功能。在了解ARM的MMU之前，我们首先需要明白为什么需要使用MMU。 MMU的引入主要是因为两个主要原因。第一，随着应用程序的不断增大，物理内存却受限于成本和能耗，并不能无限制地增大。因此，必须有一种方法能够在有限的物理内存基础上运行更大的应用程序。第二，MMU能够提供更为强大的存储管理功能，例如内存的分页、共享、复制等操作，增强系统的性能。第三，系统安全性考虑。MMU能够为不同的进程提供独立的内存空间，通过内存访问权限的控制防止进程间的非法访问，从而提升系统整体的安全性。 接下来，我们来探讨MMU中的地址概念。MMU涉及两种地址，即虚拟地址和物理地址。虚拟地址是程序中使用的地址，而物理地址是实际内存条上的地址。物理地址空间和虚拟地址空间是对应的概念，前者指的是实际内存的容量和布局，后者指的是程序可见的地址范围。 为了实现虚拟地址到物理地址的转换，MMU将虚拟地址空间划分成一块一块的区域，这些区域被称为页。相应的，物理地址空间也进行类似的划分，每个块称为页框。在理想情况下，MMU实际上就是实现虚拟地址中的页到物理地址中的页框的映射。 在ARM架构中，MMU支持不同大小的存储块，包括1MB大小的section段、64KB的大页、4KB的小页以及1KB的极小页。ARM的MMU通过页表来实现虚拟地址到物理地址的映射。页表是将虚拟地址空间均匀划分成页，并将每个页的属性集合起来形成的一个表。每个虚拟地址空间中的页对应的属性归为一行，称为entry。每个entry中包含着一些属性信息，比如标志位、物理地址等。 ARM的MMU计算过程中，通过页表的索引可以找到对应的entry。具体的计算方法依赖于虚拟地址中的某些位以及页表中的其他位，以得到正确的物理地址。例如，如果页表采用1MB的section段，那么MMU会使用虚拟地址的高位部分去查找页表，并加上一个偏移量来得到物理地址。如果页表采用的是4KB的小页，那么MMU会使用虚拟地址的高位部分作为索引去查找页表中的entry，然后加上虚拟地址的低位部分（偏移量）来得到物理地址。 在进行虚实地址变换时，MMU会首先将虚拟地址分解为页号索引和页内偏移。例如，虚拟地址0x***分解后的页号索引是1000（二进制表示的页号），页内偏移是***（二进制表示的偏移）。MMU随后会在页表中查找对应的物理页框地址，如果页表中该页号对应的页表项（entry）存在，则将页内偏移附加到页框地址后面，形成最终的物理地址。如果页表项不存在，则触发一个缺页中断，该中断通常由操作系统处理，可能是载入相应的物理页到内存中。 总结来说，ARM的MMU在嵌入式开发领域中起着至关重要的角色，它通过页表实现了虚拟地址和物理地址之间的转换，从而允许系统在有限的物理内存上运行更多的应用程序，提升了系统的性能，同时增强了系统的安全性。对于初入嵌入式开发行业的初学者而言，理解ARM的MMU技术，尤其是它的地址映射机制、页表结构及其索引计算方法，是掌握现代嵌入式系统内存管理的关键一步。