ARM的MMU内存管理工作原理

旨在系统理解mmu,带着问题来理解原理，本文以armv7进行说明。

1.虚拟地址 物理地址 逻辑地址 线性地址 运行地址之间的联系？

逻辑地址是由编译器所产生的符号表里面的地址（可以使用binutils工具查看可执行文件的符号表）；
（逻辑地址通过段映射为线性地址（虚拟地址为中间层），如果未开启二级映射，其实就是物理地址。这个是x86中的说法）因为arm将最开始的地址称为VA即virtual address,即虚拟地址，然后有一个中间层的地址，最后到物理地址。
不要被这些地址的名字所蒙蔽，先看原理再回过头看看就是有清晰的认知。
物理地址、运行地址是一样的，比如符号表产生的汇编代码的地址为0x12345678，在没有mmu的情况下，运行地址也必须是0x1234567才能保证指令的正确运行，否则有可能会出错。mmu的出现便是一种较好的解决方法。

2.MMU是什么？以及有mmu有什么作用？

MMU即memory management unit内存管理单元，提供了关于内存的重要功能，使得多任务变得可能，可以使得内核任务的所访问地址是独立的，然后通过mmu转换为实际的物理地址，而无需人为的重定位。

3.MMU、RAM与arm core之间的关系？

arm核访问虚拟地址，通过mmu转换为实际的物理地址，可以简单认为mmu就是一个转换表，实现虚拟地址到物理地址之间的转换。

4.MMU的TLB与配置

何为TLB，缩写为Translation Lookaside Buffe,其实还是个表格，只不过这个表格的查找速率远远大于RAM内部的表格，转换虚拟地址至物理地址的时候，是先从TLB进查找，如果找不到在尝试RAM中的，当然如果再找不到，那就是缺页异常了。
MMU的配置
MMU的配置管理主要通过arm的CP15协处理器进行操作配置的，可参考Arm的协处理器的介绍（在arm专栏中）。对于内核来讲，其实就是作为mmu的使用者，主要是页表的填充，和打开以及关闭mmu等操作。

5.MMU的地址映射

armv7的映射一共有两级映射，分为：
一级映射，16M 、1M大小的section
二级映射，64K 、4K大小的page size

5.1 1M的section映射方式

第一步：其中Translation Table base address为一级页表的基地址，存储在CP15协处理器的TTBR0或者TTBR1当中；
第二步：找到第一级页表的基地址后，通过虚拟地址找到页表里面的页表项，因为是 1M的映射方式，需要映射4G的内存大小，所以一共有4096个页表项；
第三步：找到对应的页表项后，通过一级页表项的bits[31:20]与虚拟地址的bits[19:0]之后便可以计算出物理地址。
对于一级页表，需要明确两个概念，页表是一个表，其中包含了4096个页表项。在一级页表项中页表项一共有4中格式，1M的页表项只是其中的一种
一级页表对应的4096个页表项：

一级页表项的格式：

在armv7中，一级页表项的格式一共有其中，分别代表为缺页即无映射、二级映射、1M的section映射、16M的section的映射。其中bits[1:0]用来区分是否为缺页映射，bit18用来区分section与supersection的映射方式。

5.2 二级映射4k的页映射

第一步：首先先取页表的基地址，此其实与上面的section映射是一样的，然后通过虚拟地址的bits[31:20]来找到页表里面的页表项；
第二步：上面已经介绍过，页表项的格式一共有四种，其中bits[1:0]用来代表为二级的页映射；
第三步：同理来取二级页表存储的基地址，然后通过虚拟地址的bits[19:12]字段来找到二级页表里面的页表项；
第四步：找到对应的二级页表项后，通过二级页表项的bits[31:12]与虚拟地址的bits[11:0]之后便可以计算出物理地址。
二级页表项的格式：

其中armv7的二级页表项的格式一共有三种：缺页异常、4K的小页、64K的大页映。
二级页表的大小为256个页表项（对应为4K映射），页表大小为16个页表项（对应64K映射）。
二级页表对应的二级页表项（以4K说明）：

在此需要搞清楚页表、页表项、页表基地址、页表项描述符之间联系：
页表：就是一个表，里面装的就是页表项；
页表项：对应的一级页表项描述符有4种格式，二级页表项描述符有3种格式；
页表基地址：一级页表基地址是存储在ttbr0或者ttbr1中，二级页表是通过一级页表项与虚拟地址计算得出，需要说明的是页表基地址指的是物理地址，而不是虚拟地址。