u-boot mmu映射分析

一、映射过程详解

关于页表：ARMv6的MMU进行地址映射时涉及到两种页表，一级页表（first level page table）和二级页表(coarse page table)。

关于映射方式：映射方式有两种，段映射和页映射。段映射只用到一级页表，页映射用到一级页表和二级页表。

关于映射粒度：段映射的映射粒度有两种，1M section和16M supersection；页映射的映射粒度也有两种，4K small page和64K large page。

硬件在做地址转换时，如何知道当前是什么映射方式以及映射粒度是多少呢？

 

 

这些信息可以从页表的入口描述符中获得。

 

一级页表的入口描述符(first-level descriptor)格式如下：

第[1:0]位决定映射方式：

[1:0]=10b时，是段映射，此时只需作一级映射，描述符的最高12或8位存放的是段基址；

[1:0]=01b时，是页映射，此时虚拟地址转换为物理地址需要经历二级映射，描述符的最高22位存放的是二级页表的物理地址；

第[18]位决定段映射的粒度：

[18]=0b时，映射粒度为1M，描述符的最高12位存放段基址；

[18]=1b时，映射粒度为16M，描述符的最高8位存放段基址；

当映射方式为页映射时，我们用到二级页表，二级页表的入口描述符（second-level descriptor）格式如下：

第[1:0]位决定页映射的映射粒度：

[1:0]=10b或11b时，映射粒度为4KB，描述符的最高20位为页基址；

[1:0]=01b时，映射粒度为64KB，描述符的最高16位为页基址；

下面分4种情况对地址映射过程做详细描述：

1）段映射，映射粒度为1M

2）段映射，映射粒度为16M

3）页映射，映射粒度为4K

4）页映射，映射粒度为64K

1.1段映射，映射粒度为1M

当映射方式为段映射，且映射粒度为1M时，映射图如下：

虚拟地址到物理地址的映射过程如下：

1. 虚拟地址的[31:20]位存放一级页表的入口index，[19:0]位存放段偏移；

2. 从TTBR（translation table base register，协处理器CP15中的一个寄存器，用于存放一级页表的基址）寄存器中获取一级页表的基址；

3. 一级页表基址+ VA[31:20] = 该虚拟地址对应的页表描述符的入口地址；

4. 页表描述符的[31:20]位为该虚拟地址对应的物理段基址；

5. 物理段基址+ VA[19:0]段偏移= 物理地址

由映射图可知，一个虚拟地址可以索引2^12个一级页表入口，每个入口映射2^20大小的内存，故虚拟地址可以映射的最大物理内存为：2^12 * 2^20，即4G。

1.2 段映射，映射粒度为16M

当映射方式为段映射，且映射粒度为16M时，映射图如下：

虚拟地址到物理地址的映射过程如下：

1. 虚拟地址的[31:24]位存放一级页表的入口index，[23:0]位存放段偏移；

2. 从TTBR（translation table base register，协处理器CP15中的一个寄存器，用于存放一级页表的基址）寄存器中获取一级页表的基址；

3. 一级页表基址+ VA[31:24] = 该虚拟地址对应的页表描述符的入口地址；

4. 页表描述符的[31:24]位为该虚拟地址对应的物理段基址；

5. 物理段基址+ VA[23:0]段偏移= 物理地址

由映射图可知，一个虚拟地址可以索引2^8个一级页表入口，每个入口映射2^24大小的内存，故虚拟地址可以映射的最大物理内存为：2^8 * 2^24，即4G。

1.3 页映射，映射粒度为4K

当映射方式为页映射，且映射粒度为4K时，映射图如下：

虚拟地址到物理地址的映射过程如下：

1. 虚拟地址的[31:20]位存放一级页表的入口index，[19:12]位存放二级页表的入口index，[11:0]位存放页偏移；

2. 从TTBR（translation table base register，协处理器CP15中的一个寄存器，用于存放一级页表的基址）寄存器中获取一级页表的基址；

3. 一级页表基址+ VA[31:20] = 一级页表描述符的入口地址；

4. 一级页表描述符的[31:10]位存放二级页表的基址；

5. 二级页表基址+ VA[19:12] = 二级页表描述符的入口地址；

6. 二级页表描述符的[31:12]位存放该虚拟地址在内存中的物理页基址；

7. 物理页基址+ VA[11:0]页偏移= 物理地址

由映射图可知，一个虚拟地址可以索引2^12个一级页表入口，每个一级页表入口指向的二级页表最大可以有2^8个二级页表入口，每个二级页表入口映射2^12大小的内存，故虚拟地址可以映射的最大物理内存为：2^12 * 2^8 * 2^12 ，即4G。

1.4 页映射，映射粒度为64K

当映射方式为页映射，且映射粒度为64K时，映射图如下：

虚拟地址到物理地址的映射过程如下：

1. 虚拟地址的[31:20]位存放一级页表的入口index，[19:16]位存放二级页表的入口index，[15:0]位存放页偏移；

2. 从TTBR（translation table base register，协处理器CP15中的一个寄存器，用于存放一级页表的基址）寄存器中获取一级页表的基址；

3. 一级页表基址+ VA[31:20] = 一级页表描述符的入口地址；

4. 一级页表描述符的[31:10]位存放二级页表的基址；

5. 二级页表基址+ VA[19:16] = 二级页表描述符的入口地址；

6. 二级页表描述符的[31:16]位存放该虚拟地址在内存中的物理页基址；

7. 物理页基址+ VA[15:0]页偏移= 物理地址　　

由映射图可知，一个虚拟地址可以索引2^12个一级页表入口，每个一级页表入口指向的二级页表最大可以有2^4个二级页表入口，每个二级页表入口映射2^16大小的内存，故虚拟地址可以映射的最大物理内存为：2^12 * 2^4 * 2^16 ，即4G。

1.5 地址映射总图

《ARM1176 JZF-S Technical Reference Manual》中有一张对上述四种映射情况的汇总图：

 

 

 

2. 关于一级页表基址

参考《ARM1176 JZF-S Technical Reference Manual》6.12 MMU descriptors

ARMv6中有两个协处理器寄存器用来存放一级页表基地址，TTBR0和TTBR1。操作系统把虚拟内存划分为内核空间和用户空间，TTBR0存放用户空间的一级页表基址，TTBR1存放内核空间的一级页表基址。

 

In this model, the virtual address space is divided into two regions:
• 0x0 -> 1<<(32-N) that TTBR0 controls
• 1<<(32-N) -> 4GB that TTBR1 controls.

 

N的大小由TTBCR寄存器决定。0x0 -> 1<<(32-N)为用户空间，由TTBR0控制，1<<(32-N) -> 4GB为内核空间，由TTBR1控制。

N的大小与一级页表大小的关系图如下：

操作系统为用户空间的每个进程分配各自的页表，即每个进程的一级页表基址是不一样的，故当发生进程上下文切换时，TTBR0需要被存放当前进程的一级页表基址；TTBR1中存放的是内核空间的一级页表基址，内核空间的一级页表基址是固定的，故TTBR1中的基址值不需要改变。

2.u-boot中MMU初始化代码分析

2.1 start.s中mmu使能

enable_mmu:
    /* enable domain access */
    ldr    r5, =0x0000ffff
    mcr    p15, 0, r5, c3, c0, 0        @load domain access register

    /* Set the TTB register */
    ldr    r0, _mmu_table_base
    ldr    r1, =CFG_PHY_UBOOT_BASE
    ldr    r2, =0xfff00000
    bic    r0, r0, r2
    orr    r1, r0, r1
    mcr    p15, 0, r1, c2, c0, 0

    /* Enable the MMU */
mmu_on:
    mrc    p15, 0, r0, c1, c0, 0
    orr    r0, r0, #1
    mcr    p15, 0, r0, c1, c0, 0
    nop
    nop
    nop
    nop

2.2 lowlevlel_init.s中映射表初始化

.macro FL_SECTION_ENTRY base,ap,d,c,b
    .word (\base << 20) | (\ap << 10) | \
          (\d << 5) | (1<<4) | (\c << 3) | (\b << 2) | (1<<1)
.endm

.macro FL_SECTION_ENTRY base,ap,d,c,b /*.macro指令是汇编中宏定义的意思，此带参宏将FL_SECTION_ENTRY base,ap,d,c,b定义成一个word大小的特定值*/，

.word (\base << 20) | (\ap << 10) | \ /*这个特定值就是转换表的填充量，其中，参数base是映射出来的段地址的基地址，从第20位开始。*/

(\d << 5) | (1<<4) | (\c << 3) | (\b << 2) | (1<<1)/*20位的大小正好是1MB，由此可知转换表中未保留前20位，映射出来的地址之间间隔为1MB*/

/*故这里采用的是段式映射；继续来分析参数，ap是访问控制位，从第10位开始。d、c、b都是一些权限位*/

.endm /*.endm，即结束宏定义*/

注：该宏的用途就是定义一个.word的字段

/*这里开始设置虚拟映射转换表，这里使用的是段式映射模式，即以段（1MB）为单位进行映射*/

/*因此表中的一个单元只能管1MB，整个4G内存需要创建4096个表单元，所以后面采用了循环的方法来创建*/

.section .mmudata, "a"
    .align 14
    // the following alignment creates the mmu table at address 0x4000.
    .globl mmu_table

mmu_table:
    .set __base,0                                    //虚拟地址0开始
    // Access for iRAM
    .rept 0x100                                           //循环定义0x100次，定义0x100个  .word .word .word......,
    FL_SECTION_ENTRY __base,3,0,0,0  //.word字段中 高12位位物理基地址
    .set __base,__base+1                //地址加1
    .endr

此处是定义了0x100个.word 表单元，每个表单元对应的虚拟地址和物理地址一致 0x00000000-0x10000000~0x10000000

    // Not Allowed
    .rept 0x200 - 0x100
    .word 0x00000000
    .endr

此处循环定义0x100个 0x00000000,即物理地址为0，即虚拟地址 0x10000000-0x20000000无法访问

    .set __base,0x200               //物理基地址为0x20000000
    // should be accessed
    .rept 0x600 - 0x200             //循环0x400次 
    FL_SECTION_ENTRY __base,3,0,1,1  //定义页表单元，高12位物理地址为base
    .set __base,__base+1
    .endr

此处实现的映射关系为 虚拟地址0x20000000-0x60000000 对应的物理地址为 0x20000000-0x60000000

.rept 0x800 - 0x600
    .word 0x00000000
    .endr

虚拟地址 0x60000000-0x80000000空间无法访问

    .set __base,0x800
    // should be accessed
    .rept 0xb00 - 0x800
    FL_SECTION_ENTRY __base,3,0,0,0
    .set __base,__base+1
    .endr

平行映射， 虚拟地址0x80000000-0xb0000000 对应的物理地址为 0x80000000-0xb0000000

    .set __base,0xB00
    .rept 0xc00 - 0xb00
    FL_SECTION_ENTRY __base,3,0,0,0
    .set __base,__base+1
    .endr

平行映射， 虚拟地址0x80000000-0xb0000000 对应的物理地址为 0x80000000-0xb0000000

    .set __base,0xB00
    .rept 0xc00 - 0xb00
    FL_SECTION_ENTRY __base,3,0,0,0
    .set __base,__base+1
    .endr

    .set __base,0x200
    // 256MB for SDRAM with cacheable
    .rept 0xD00 - 0xC00
    FL_SECTION_ENTRY __base,3,0,1,1
    .set __base,__base+1
    .endr

此处实现映射  虚拟地址0xc0000000-0xd0000000 物理地址 0x20000000-0x30000000

 

VA                                             PA                                                                length

0-10000000                       0-10000000                                                       256MB

10000000-20000000        0                                                                          256MB

20000000-60000000        20000000-60000000                                         1GB        512-1.5G

60000000-80000000        0                                                                              512MB      1.5G-2G

80000000-b0000000        80000000-b0000000                                         768MB        2G-2.75G

b0000000-c0000000        b0000000-c0000000                                        256MB        2.75G-3G

c0000000-d0000000       20000000-30000000                                          256MB        3G-3.25G

 

转自:https://www.cnblogs.com/tanghuimin0713/p/3917178.html