ARM中MMU之地址转换

第一次发帖略微有点激动，有不足的地方还请各位大神指教。

 

最近看了看mmu，找了好多资料，看了好多博文终于稍微清楚了一点，现在我把自己理解的内容总结一下：

 

首先我来说一下MMU的作用，MMU就是负责虚拟地址（virtual address）转化成物理地址（physical address）。

下面我来说一下ARM CPU上的地址转换过程涉及三个概念：虚拟地址（VA）（CPU内核对外发出VA），变换后的虚拟地址（MVA）（VA被转换为MVA供cache和MMU使用，在此将MVA转换为PA），物理地址（PA）（最后使用PA读写实际设备）。

 

(1)CPU看到的用到的只是VA，CPU不管VA最终是怎样到PA的；

 

(2)而cache、MMU也是看不到VA的，它们使用的是MVA（VA到MVA的转换是由硬件自动完成的）；

 

(3)实际设备看不到VA、MVA，读写设备使用的是PA物理地址。

 

前期的铺垫基本完成，接下来进入重点。

在此过程中要用到以下两个必备的东西：

1、cp15协处理器的c2寄存器(这个里面的东西需要程序员自己装载)

2、虚拟地址MVA。

接下来我说以下mmu对虚拟地址到物理地址的转化过程。

1、无论进行那种有效转换都必须进行一级页表的转换，所以我们先去产生一级页表。产生一级页表经过以下步骤

        a)     由协处理器CP15中的寄存器C2（高18位，即[31：14]为转换表基地址，低14位为0）为一级转换表基地址，即TTB该地址指向了一个2^14=16KB大小的存储区，即一级转换表。

        b)    将MVA的高12位，即位[31:20]作为一级转换表的地址索引，因此一级转换表具有2^12=4096项，这4096项的地址为32位，最高的18位[31：14]为寄存器C2的高18位，中间12位为MVA的高12位[31:20]，最低2位为0b00。这4096项中的内容称为一级描述符。至此一级页表产生完毕。

2、mmu拿到一级描述符首先看它的后两位也就是bits[1:0]，根据这两位的取值mmu会进入不同的转换模式，这两位会出现下面四种取值。其中这四种取值分别对应四种模式，下面我一一解释。

        a)     00          无效不进行转换

        b)    01          进行粗页式转换

        c)     10          进行段式转换

        d)    11          进行细页式转换

3、接下来对于不同的转换模式，就要进行不同的转换。我下面将对三种转换模式进行一一分析。

 

        a)     0b10（段式转换），把段式转换放在第一个说的原因是在ARM中大量用到了段式和细页式转换。

段式转换是最简单的一种转换方式，它是将我们刚才产生的一级描述符（即4096项中的内容）的高12位作为段的基地址，用MVA的低20位作为每个段的偏移量，由此我们可以轻松的推出每个段的大小为2^20=1MB，至此我们就得到了一个物理地址PA。

        b)    0b11（细页式转换）

细页式转换，它是将我们刚才产生的一级描述符的高20位bits[31:12]，再加上MVA的bits[19:10]（第二级表索引）合体，bits[1:0]补0，获取第二级描述符的地址，至此其一级转换结束，因为其二级转换方式和粗页式的二级转换方式相同所以我下面一块分析。

        c)     0b01（粗页式转换）

粗页式转换，它是将我们刚才产生的一级描述符的高22位bits[31:10]，再加上MVA的bits[19:12]（第二级表索引）合体，最后两位补0，获取第二级描述符的地址（32位），至此其一级转换结束。

4、下面我们将进入二级转换，对于二级转换只针对细页式和粗页式，没有段式转换。

        a)     经过一级转换我们得到了二级描述符的地址，我们通过此地址可以得到二级描述符，我们根据二级描述符的低两位bits[1:0]同样可以分为四种转换模式：

                         i.         00          无效不进行转换

                        ii.         01          大页描述符

                       iii.         10          小页描述符

                       iv.         11          极小页描述符

        b)    接下来我将对各个模式进行分析。

                         i.         01（大页描述符）

此时我们取出二级描述符中的bits[31:16]――大页基址，它和MVA的bits[15:0]组成一个32位的物理地址，这就是MVA对应的PA。

                        ii.         10（小页描述符）

此时我们取出二级描述符中的bits[31:12]与MVA的bits[11:0]组成一个32位的地址，这就是MVA对应的PA。

                       iii.         11（极小页描述符）

此时我们取出二级描述符中的bits[31:10]与MVA的bits[9:0]组成一个32位的地址，这就是MVA对应的PA。

以上就是MMU对虚拟地址转换到物理地址的过程，本人第一次写学习笔记，还有很多不足之处还请各位前辈指教，谢谢各位。