深入浅出MIPS 二 MIPS的内存映射

二 MIPS的内存映射

　　在32位MIPS体系结构下，最多可寻址4GB地址空间。这4GB空间的分配是怎样的呢？让我们看下面这张图：

　　　　　　+----------------------------------------------+
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　| 0xFFFFFFFF
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|
　　　　　　|　Kernel Space Mapped Cached　　　　　　　|
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|
0xC0000000 |　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　|
　　　　　　+----------------------------------------------+
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　| 0xBFFFFFFF
　　　　　　| Kernel Space Unmapped Uncached 　 　   |
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|
0xA0000000 +----------------------------------------------+
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　| 0x9FFFFFFF
　　　　　　| Kernel Space Unmapped Cached 　　　　  |
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|
0x80000000 +----------------------------------------------+
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　| 0x7FFFFFFF
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|
　　　　　　|　　　　User Space　　　　　　　　　　　　　|
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|
　　　　　　|　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|
0x00000000 +----------------------------------------------+

Figure 2-1 MIPS Logical Addressing Space

　　上图是MIPS处理器的逻辑寻址空间分布图。我们看到，2GB以下的地址空间，也就是从0x00000000到0x7FFFFFFF的这一段空间，为User Space，可以在User Mode下访问，当然，在Kernel Mode下也是可以访问的。程序在访问User Space的内存时，会通过MMU的TLB，映射到实际的物理地址上。也就是说，这一段逻辑地址空间和物理地址空间的对应关系，是由MMU中的TLB表项决定的。

 　　从0x80000000到0xFFFFFFFF的一段为Kernel Space，仅限于Kernel Mode访问。如果在User Mode下试图访问这一段内存，将会引发系统的一个Exception。MIPS的　　Kernel Space又可以划分为三部分。首先是通过MMU映射到物理地址的1GB空间，地址范围从0xC0000000到0xFFFFFFFF。这1GB空间可以用来访问实际的DRAM内存，可以为操作系统的内核所用。

　　MIPS的Kernel Space中，还有两段特殊的地址空间，分别是从0x80000000到0x9FFFFFFF的Kernel Space Unmapped Cached  和  0xA0000000到0xBFFFFFFF的Kernel Space Unmapped Uncached。之所以说它们特殊，是因为这两段逻辑地址到物理地址的映射关系是硬件直接确定的，不通过MMU，而且两段实际上是重叠的，均对应0x00000000到0x20000000的物理地址。那么，为什么一段同样的物理地址有两个逻辑地址对应呢？它们的区别又在哪里呢？

　　原来，这是MIPS的设计特色之一。软件在访问Kernel Space Unmapped Uncached这段地址空间的时候，不经过MIPS的Cache。这样，虽然速度会比较慢，但是，对于硬件I/O寄存器来说，就不存在所谓的Cache一致性问题。Cache一致性问题，是指硬件将某个地址的内容跳过软件而改变了，Cache中的内容尚未同步。这样，如果软件读取该地址，有可能从Cache中获取到错误的内容。将硬件I/O寄存器设定在这段地址空间，就可以避免Cache一致性带来的问题。MIPS的程序上电启动地址0xBFC00000，也落在这段地址空间内。——上电时，MMU和Cache均未初始化，因此，只有这段地址空间可以正常读取并处理。

　　另一段特殊的地址Kernel Space Unapped Cached，与前者类似，直接映射到0x00000000到0x20000000，与Kernel Space Unmapped Uncached重叠。因为通过Cache，这段地址空间的访问速度比前者为快。一般地，这段内存空间用于内核代码段，或者内核中的堆栈。

　　显然地，当工程师们换算Kernel Space中的这两段的物理地址和逻辑地址时，只需要改变地址的高3bit就可以了。
　　那么，什么时候需要使用物理地址，什么时候需要使用逻辑地址呢？我们知道，逻辑地址是程序中访问的内存地址，譬如，下面的这条指令：
　　lw a0, 128(t2)
　　这条指令的内容是从t2寄存器内的地址 + 偏移128字节处，读取一个word (4Byte)到寄存器a0内。如果t2的值为0x88200100，则最终访问的物理地址为0x88200180。

　　而物理地址，从工程上可以理解为，将逻辑分析仪连接到内存总线(Memory Bus)上，逻辑分析仪指示的地址，就是物理地址。假如，在上一个例子中，我们把逻辑分析仪接到处理器的前端内存总线，我们就可以看到，执行该指令时，系统访问的物理地址为0x08200180。物理地址和逻辑地址的换算，不仅限于电子工程师在设计硬件线路时需要。在内核工程师编写支持DMA的外部设备驱动时，需要将向操作系统申请到的数据缓冲区地址（当然，这是一个逻辑地址）转换为物理地址，并“告诉”相关外设。这样，外设就可以在收到数据后，使用DMA模式储存在系统的主存中，并向系统发起一个IRQ。操作系统在IRQ的handler中，从外设的相应IO寄存器读取到这段内存的地址（当然，是物理地址）并转换为逻辑地址并处理之。这个过程中，如果没有正确使用和分辨物理地址和逻辑地址，驱动程序便会导致内核的一个panic错误。

　　物理地址到逻辑地址的映射关系是由什么决定的呢？除了上面提到的两段Unmapped的地址空间，其余都是由TLB确定的，由MMU来执行。这是后话。