理论复习：MMU技术--Apple的学习笔记

前言：

为什么要复习MMU和Cache，因为我之前就学习过uboot，但是当初跳过了MMU，另外我平时学习过程中基本上忽略了内存管理。只是了解一个皮毛，没有深入思考过。而这次要准备自制系统而重学uboot，当然不能放过MMU啦~

问题1：MMU就是虚拟地址转物理地址的作用吗？

谈论到MMU我首先想到的是内存映射即虚拟地址和物理地址转换，然后想到的是rtos没有MMU但是linux有的这句话，但是这句话开始就想不通了，就比如我现在用的tc275就是地址转换的呀，以前用过的D-flash动态窗口也是有地址转换的呀，不都是MMU吗？后来网上查资料，发现MMU是一种内存管理技术。虚拟地址转物理地址是它其中一种基本能力而已。开启和关闭MMU功能，说明MMU是内核中的一个模块，所以说Cortex-M内核不支持而Cortex-A内核支持。从这句话来理解也可以知道MMU的功能不是软件实现的，而是芯片内部实现的。

问题2：Cache能通过寄存器控制吗？和MMU有什么关系？

最近看到了Cache，其实我也知道Cache就是速度更快的内存，其它就没有研究了，现在在深入理解MMU那么就一起了解了Cache。当前的理解MMU可以管理所有内存，所有当然可以控制Cache。因为Cache也是内存的一种。会把一小段程序放入指令Cacche中，把变量
放入Data Cache中，这样cpu就不用访问SDRAM，直接访问Cache.,如果Cache中没有，就访问SDRAM中的。uboot中数据cache必须关闭bai指令cache可以关闭也可以启动Bootloader主要是装载内核镜像，镜像数据必须真实写回SDRAM中，所以数据cache必须关闭，而对于指令cache，不存在强制性的规定，但在一般情况下，推荐关闭cache。

问题3：MMU到底什么功能？

网上搜索的内容太碎片化，而且准确度不高，还是看书吧！我家什么最多，就是书最多，每年双11我都会买很多，但是都是囫囵吞枣看一下^V。翻阅《深入理解计算机系统》第9章的首页概述中我get到3个信息。
a.还记得linux的用户空间和内核空间吧，这样的空间保护这就是靠MMU，而RTOS就没有。
b.提到了malloc的段错误和保护错误，这部分我从没了解过，只是freertos之前简单了解过heap处理，目的就是要让内存都存在在一起，这样可以加快访问速度，而非碎片化访问。而linux中防止碎片估计就是靠MMU。然后我想起来AutosarOS为每个component通过lds来分配空间，也是不能访问其它空间的，AutosarOS也有内存保存功能，这个MMU有异曲同工之妙。
c.虚拟内存和共享空间的关系，通过读写某个内存位置修剪过一个磁盘文件内容。这部分暂时猜测就是同一个物理映射到了不同的虚拟地址，所以实现了共享吧。

好了只看了第一页我就开始想入非非了，还有60页边看边写吧，一定会有新的认识~

问题4：第二页中写了将DRAM缓冲来表示虚拟内存系统的缓存，DRAM是什么和L1 L2 cache有什么区别？

网上搜索了DRAM 只能将数据保持很短的时间。为了保持数据,DRAM 必须隔一段时间刷新。cache一般是sram访问速度比dram快10倍。所以DRAM可以理解为物理介质，而cache的物理介质一般是sram。

问题5：说到PTE分页条目，缓存，未缓存和未分配。这个和虚拟地址和物理地址有什么关系？

不着急，先记录问题，要继续向后看，这个图让我搞明白了。首先通过PTE进行地址翻译是芯片硬件做的事。PTE就是我以前在单片机中会用到的page+offset的寄存器。关于缓存，未缓存和未分配其实是一种MMU的管理技术中的对象，会有些算法策略来应对这些对象，否则大的不命中及访问第一个字节的开销会比较大。所以对应这3个对象的管理算法决定了虚拟地址转物理地址的性能消耗。

image.png

问题6：上图中的虚拟地址和cache有什么关系？

上图中的表都是有地方存储的，物理内存当然是保存在磁盘等设置上，而虚拟内存是保存在闪存上，可以理解为sram。那些表之后还有多级分页表示保存在cache上的。

问题7：程序必须复制到内存中才能运行吗？

我很早就是知道虚拟内存的概念，那个例子就是火车轨道只有火车长度的1/4，那么火车能开到目的地吗？只要铺设轨道的速度为火车快，就可以到达目的。程序要复制到内存中运行，主要是内存去数据速度为磁盘要快100倍。但是单片机应该就是直接中flash中取代码运行的吧！所以不是必须的，但是linux有虚拟内存，所以都是这样运行程序的。

问题8：为什么说nandflash无法运行程序而norflash可以独立运行程序？

原因是nandflash没有地址总线。啊！没有地址总线怎么取数据呀！它有它特殊的通信协议，数据总线和地址总线公用，主要是需要驱动程序去配置nandflash，所以不能独立运行里面保存的代码。而norflash有地址总线，所以它可以独立运行程序。

问题9：高速缓存中到此保存怎么样的转换表？

MMU生成一个PTE需要花时间，所以先准备好多级分页表，保存在高速缓存中即可。所以高速缓存中会保存转换表。其实在第6章存储器存储结构有具体描述，但是我今天没看。

现在基本上理解了

其实我的这些疑惑主要是不清楚到底哪些是软件干的活，哪些是芯片硬件干的活。并且我之前没有搞清楚虚拟内存和虚拟地址的关系。也没有搞清楚虚拟内存是保存在哪个器件上的，虚拟内存应该是保存在ddr上，所以内存越大加载软件越快。而对于虚拟地址如何转物理地址的方案我早就了解过，包括未命中缺页的处理也早就了解过。

《深入理解计算机系统》9.7.2章节后都是说的Linux虚拟内存管理，和物理内存无关

1.包括一个进程的虚拟内存分区
2.段错误的原因是访问了未分配区域，保护异常访问无权限的段。这些都是一个vm_area_structs结构体就可以标记这些信息了，虚拟内存做权限管理果然方便
3.c语言共享内存机制，fork机制都用到了写时复制。
4.为什么要动态分配空间的原因，就是要充分利用空间，通过不断的申请和释放，否则静态分配没有那么多空间了。
5.堆栈碎片的处理算法。包括最简单的边界标记。看到这里我想起来之前学习tr-thread貌似为task任务块分配空间heap有3种算法可选。
6.链表存储及垃圾回收机制。不可达的就是垃圾。
7.介绍了c语言中与内存有关的错误，确实以前出现段错误或者内存溢出，就是犯下了这些错误。