mini2440 貌似复杂的mmu
在《嵌入式Linux应用开发完全手册》中把MMU放在第7章，硬件顺序上仅在 GPIO 和 存储控制器之后，可见它基本到和内存差不多了。有了MMU，CPU 和 SDRAM之间不再直接通话了，CPU的寻址改用虚拟地址VA，VA地址范围等于CPU总线宽度，4GB那是基本的，高端大气上档次。这MMU就一翻译，领导说话跑的是灰机，她传话过去用什么要看实际SDRAM寻址范围了，像mini2440这64MB就改用拖拉机了。这翻译仅仅就是为了让领导能跑灰机吗？
曾经尝试把MMU地址变换过程描述的更简洁一些，想想要做flash/gif算了，还是参考韦东山先生的图文吧。大体就是，
1. 把翻译们放到 TBL 处；
2. 领导说出VA给某个翻译；
3. 该翻译尽职尽责的把 (M)VA翻译成 PA 到总线去，如果领导那句没说好还要先告诉领导一声，顾全大局嘛；
上面的1. 是由软件做的，把TBL放到 ram 的某处"随意"，以后别被冲掉就行。对 mini2440 这 TBL = 4096 * 4B = 16KB，即共4096个翻译，每个翻译有个4B长的名字，显然片内 ram是不够用的，只能在配置了 sdram 后放到其中。为什么名字要是4B长呢，其实对 cpu 来说这名字也就是指针，32位的cpu一个指针当然是4B也就是一个 int* 的大小了。
上面的2. 是硬件完成的，VA 会先简单的转换为MVA，用于寻找翻译，寻找的过程很简单相当于在一个 int* 数组中取个值。拿这这个值（或者叫名字）找到翻译，然后把MVA告诉翻译，下来领导就不用管啥了。
上面的3. 是硬件完成的，翻译各显其能喊个 PA 给总线听。说他们“各显其能”不光因为有的细致有的粗犷，还要看自己门派（Domain）限制，读、写模式，是否使用 Cache/Buffer 等。这些技能乘在一起确实百花齐放了。
正规点说就是，
TBL 提供4096*4B 空间存一级页表项指针，一级页表最终提供 1MB 空间，可能是直接提供（段式）也可能是分成256*4KB（粗页）配合二级页表，或者分成1024*1KB（细页）配合二级页表提供。每个页表项可以指定所在 Domain和 AP/C/B 属性，详细的介绍还是看《嵌入式Linux应用开发完全手册》吧。用的时候如同老板挑人，能满足要求的最简单的那个。
MMU 和 cache 不是绑定关系，但通常相互影响，提到 Cache 又有了 TLB 的概念，依次：
Cache 用来把 PA 的左邻右舍存起来，TLB 只是把当前用到的页表项存起来。既然是缓存，就有同步问题，同步策略又按读、写分出不同模式。如果用到 DMA 这种不经缓存的访问内存模式，则要保证读mem前已同步，写mem后需同步，也就是在DMA设备发起读的前一条指令把 Cache 同步到 sdram 去，在DMA设备写完sdram的第一条指令把Cache无效掉以保证Cache重取sdram。
下面是代码及测试过程，按编译顺序，首先看的是 Makefile:
all: clean mmu.elf mmu.elf : arm-linux-gcc -g -c -O2 -o head.o head.s arm-linux-g++ -g -c -O2 -o init.o init.cpp arm-linux-g++ -g -c -O0 -o main.o main.cpp arm-linux-ld -Tmmu.lds -o mmu.elf head.o init.o main.o arm-linux-objcopy -O binary -S mmu.elf mmu.bin arm-linux-objdump -D -m arm mmu.elf > mmu.dis clean: rm -f *.o *.elf *.dis *.bin
其中涉及3个文件，1个是汇编，2个是cpp。注意编译 main.cpp 时使用 -O0 而非平常用的 -O2，原因后面说。下来head.s:
.text .global _start _start: mov sp, #0x00001000 bl kill_dog bl control_mem bl copy2sdram bl start_mmu mov sp, #0xC4000000 ldr r4, =main mov lr, pc bx r4 _end: b _end
一个简单的入口函数，设置栈指针以便能调用 c/c++ 中的函数，在start_mmu 后把栈顶设在了0xC4000000可见此时MMU已经在工作了，因为存储控制器寻址只有1GB，即PA不可能大于0x40000000，所以sp 中只能是 VA。下来是 init.c:
extern "C" void kill_dog( void )
{
unsigned long* pWatchDog = reinterpret_cast<unsigned long*>(0x53000000);
*pWatchDog = 0;
}
extern "C" void control_mem( void )
{
unsigned long* pMemControlBase = reinterpret_cast<unsigned long*>(0x48000000);
unsigned long aulRegisters[] = { 0x22111112, 0x00000700, 0x00000700, 0x00000700,
0x00000700, 0x00000700, 0x00000700, 0x00018009, 0x00018009, 0x008e04eb,
0x000000b2, 0x00000030, 0x00000030, 0x00000000, 0x00000000 };
for ( int i = 0; i < sizeof(aulRegisters)/sizeof(aulRegisters[0]); i++ )
pMemControlBase[i] = aulRegisters[i];
}
extern "C" void copy2sdram( void )
{
unsigned long* pSdram = reinterpret_cast<unsigned long*>(0x30010000);
unsigned long* pAppCode = reinterpret_cast<unsigned long*>(0x00000800);
unsigned long* pAppEnd = reinterpret_cast<unsigned long*>(0x00001000);
while ( pAppCode != pAppEnd )
{
*pSdram = *pAppCode;
pSdram ++;
pAppCode ++;
}
}
extern "C" void start_mmu( void )
{
#define MMU_FULL_ACCESS (3 << 10) /* 访问权限 */
#define MMU_DOMAIN (0 << 5) /* 属于哪个域 */
#define MMU_SPECIAL (1 << 4) /* 必须是1 */
#define MMU_CACHEABLE (1 << 3) /* cacheable */
#define MMU_BUFFERABLE (1 << 2) /* bufferable */
#define MMU_SECTION (2) /* 表示这是段描述符 */
#define MMU_SECDESC (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | \
MMU_SECTION)
#define MMU_SECDESC_WB (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | \
MMU_CACHEABLE | MMU_BUFFERABLE | MMU_SECTION)
#define MMU_SECTION_SIZE 0x00100000
unsigned long virtuladdr, physicaladdr;
unsigned long *mmu_tbl_base = (unsigned long *)0x30000000;
/* 片内ram PA=VA */
virtuladdr = 0;
physicaladdr = 0;
*(mmu_tbl_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \
MMU_SECDESC_WB;
/* GPIO 地址不变 */
virtuladdr = 0xA0000000;
physicaladdr = 0x56000000;
*(mmu_tbl_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \
MMU_SECDESC;
/* sdram PA=VA-0x90000000 */
virtuladdr = 0xC0000000;
physicaladdr = 0x30000000;
while (virtuladdr < 0xC4000000)
{
*(mmu_tbl_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \
MMU_SECDESC_WB;
virtuladdr += MMU_SECTION_SIZE;
physicaladdr += MMU_SECTION_SIZE;
}
__asm__(
"mov r0, #0\n"
"mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0\n" /* 使无效ICaches和DCaches */
"mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4\n" /* drain write buffer on v4 */
"mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0\n" /* 使无效指令、数据TLB */
"mov r4, %0\n" /* r4 = 页表基址 */
"mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0\n" /* 设置页表基址寄存器 */
"mvn r0, #0\n"
"mcr p15, 0, r0, c3, c0, 0\n" /* 域访问控制寄存器设为0xFFFFFFFF，
* 不进行权限检查
*/
"mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0\n" /* 读出控制寄存器的值 */
"bic r0, r0, #0x3000\n" /* ..11 .... .... .... 清除V、I位 */
"bic r0, r0, #0x0300\n" /* .... ..11 .... .... 清除R、S位 */
"bic r0, r0, #0x0087\n" /* .... .... 1... .111 清除B/C/A/M */
"orr r0, r0, #0x0002\n" /* .... .... .... ..1. 开启对齐检查 */
"orr r0, r0, #0x0004\n" /* .... .... .... .1.. 开启DCaches */
"orr r0, r0, #0x1000\n" /* ...1 .... .... .... 开启ICaches */
"orr r0, r0, #0x0001\n" /* .... .... .... ...1 使能MMU */
"mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0\n" /* 将修改的值写入控制寄存器 */
: /* 无输出 */
: "r" (mmu_tbl_base) );
}
用 c++ 编译出的函数会被编译器重命名，且格式不一。想让head.s 能调用这些函数，或者readelf -s看看编译器给起了什么名字再改到head.s中，或者简单粗暴的用 extern "C" 前缀一下。copy2sdram 中把片内ram的后2KB拷贝到sdram的0x30001000，这是把前64KB留给TBL用。start_mmu 是把《嵌入式Linux应用开发完全手册》中的 create_page_table和mmu_init简单合并修改了一下，详细解说还是书上更清楚。根据上面介绍的段映射规则，可见当cpu访问VA为0xC0000000开始的64MB上的数据时会被翻译到PA=0x30000000上去；想访问GPIO的0x56000000所在的那1MB空间，cpu要说0xA0000000。开始觉得有点脱裤子放屁，但这亮点就在裤子上：除了之前说的可以给每个映射设置不同属性外，没有TBL表项映射的VA还将被视作异常，试试把GPIO的映射注掉，看看LED还会亮吗。下来是main.cpp:
#define GPBCON (*(volatile unsigned long *)0xA0000010) // 物理地址0x56000010
#define GPBDAT (*(volatile unsigned long *)0xA0000014) // 物理地址0x56000014
#define GPB5_out (1<<(5*2))
#define GPB6_out (1<<(6*2))
#define GPB7_out (1<<(7*2))
#define GPB8_out (1<<(8*2))
static inline void wait(unsigned long dly)
{
for(; dly > 0; dly--);
}
int main(void)
{
unsigned long i = 0;
GPBCON = GPB5_out|GPB6_out|GPB7_out|GPB8_out;
while(1){
wait(30000);
GPBDAT = (~(i<<5)); // 根据i的值，点亮LED1-4
if(++i == 16)
i = 0;
}
return 0;
}
只有一样可说的：wait函数体其实啥都没干，-O2会把它优化掉，也就说wait(30000)编译出来会消失掉。
最后是 mmu.lds 了:
ENTRY(_start)
SECTIONS {
. = 0x00000000;
loader : AT(0) { head.o }
.loader.extab ALIGN(4) : { init.o (.ARM.extab) }
.loader.exidx ALIGN(4) : { init.o (.ARM.exidx) }
init : { init.o }
. = 0xC0010000;
.ARM.extab ALIGN(4) : AT(2048) { main.o(.ARM.extab) }
.ARM.exidx ALIGN(4) : AT(2048) { main.o(.ARM.exidx) }
runner ALIGN(4) : AT(2064) { main.o }
}
同一个c文件用g++编译会多得到一些段例如.ARM.extab和.ARM.exidx，而且它们不能被合到一个段中，ordered和unordered互斥？具体请高手讲解。总之要把它们分出来。我从nor启动，片内ram在0x00000000处，而且知道经mmu后cpu要访问内存只能用0xC0000000之上的VA，故把main.cpp里的内容放在 0xC0010000（别侵占了TBL）。在bin文件里则是把main的内容放在2048往后的地方，而且要保证最终文件小于4KB。那个2064是通过readelf -S main.o：
[10] .ARM.extab PROGBITS 00000000 00021d 000000 00 A 0 0 1 [11] .ARM.exidx ARM_EXIDX 00000000 000220 000010 00 AL 1 0 4
得到.ARM.extabl 尺寸为0，.ARM.exidx 尺寸为0x10，在根据 2048算出来的。现实中这些可以自动的，写个makefile调用readelf 再用sed改改框架文件就可以了。至于2048，也就是上面说的“片内ram的后2KB”，这个要根据前面段的长度实际选取，不能重叠最好也不要浪费。总之，4K片内逐渐成为限制因素了，早点启用 nand flash吧。