MMU

一.What is MMU

1.ARM有多个协处理器，MMU是其中一个协处理器，用作内存管理。若应用程序想访问某块物理内存地址，MMU会将虚拟内存映射到物理内存。
2.MMU包括了页表(PT)和块表（TLB），TLB相当于PT的快速缓存。

二.What is it used for?

1.应用程序直接访问物理内存很危险，所以让MMU进行管理。
2.让每个进程都拥有了完整且相互独立的地址空间(页表)，页表存储了进程中虚拟地址到物理地址的映射关系。

三.How it works?

1.页表PT
1.当cpu想要访问某个物理地址(内存)，CPU就会发一个虚拟地址给MMU，MMU收到CPU的虚拟地址之后开始查询页表，确定是否存在映射以及读写权限是否正常。
2.MMU要先进行页表查询确定物理地址，
3.若找到页表中找到这个物理，在确认权限等问题后，MMU再将这个物理地址发送到总线，内存收到之后开始读取对应地址的数据。
4.若没找到，产生缺页中断(缺页异常)。

注意：（1.页表级数越多查询的步骤越多，对于CPU来说等待时间越长，效率越低。2.页表存在于进程的内存之中）

2.块表(TLB)
1.TLB相当于是PT的缓存，当CPU给MMU传新虚拟地址之后，MMU先看TLB那边有没有，如果有就直接拿到物理地址发到总线给内存。
2.TLB比较小,若TLB不存在cpu需要的内存地址，MMU会在在页表中；找到之后，MMU除了把地址发到总线传给内存，还把这条映射关系给到TLB，让它记录一下刷新缓存。

四.what's the problem with MMU?

1.page fault缺页异常
缺页异常有三种：Hard Page Fault、Soft Page Fault、Invalid Page Fault。

2.Hard Page Fault
物理内存中没有这个数据
也被称为Major Page Fault，翻译为硬缺页错误/主要缺页错误，这时物理内存中没有对应的页帧，需要执行页面替换算法，打开磁盘设备读取到物理内存中，再让MMU建立VA和PA的映射。

3.Soft Page Fault
其它进程有这个数据
也被称为Minor Page Fault，翻译为软缺页错误/次要缺页错误，这时物理内存中是存在对应页帧的，只不过可能是其他进程调入的，发出缺页异常的进程不知道而已，此时MMU只需要建立映射即可，无需从磁盘读取写入内存，一般出现在多进程共享内存区域。

4.Invalid Page Fault
翻译为无效缺页错误，比如进程访问的内存地址越界访问，又比如对空指针解引用内核就会报segment fault错误中断进程直接挂掉。

段错误：应用程序访问一个VA(virtual_addr),经MMU检查后发现无权访问，MMU就会产生一个异常。cpu从user_mod切换到特权模式，执行异常服务程序，内核会把这个异常解释为段错误，然后把相应的程序终止掉。

五.Use Case

1.lvgl的屏幕设备的内存映射
fbp = (char *)mmap(0, screensize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fbfd, 0);
这段代码的目的是将一个帧缓冲设备映射到进程的地址空间中，以便可以直接通文件句柄fbp，对实际内存进行写操作来控制显示输出。

点击查看代码

void fbdev_init(void)
{
    // Open the file for reading and writing
    fbfd = open(FBDEV_PATH, O_RDWR);
    if(fbfd == -1) {
        perror("Error: cannot open framebuffer device");
        return;
    }

    LV_LOG_INFO("The framebuffer device was opened successfully");
#if FBDEV_DISPLAY_POWER_ON
    // Make sure that the display is on.
    if (ioctl(fbfd, FBIOBLANK, FB_BLANK_UNBLANK) != 0) {
        perror("ioctl(FBIOBLANK)");
        return;
    }
#endif /* FBDEV_DISPLAY_POWER_ON */
    // Get fixed screen information
    if(ioctl(fbfd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo) == -1) {
        perror("Error reading fixed information");
        return;
    }

    // Get variable screen information
    if(ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo) == -1) {
        perror("Error reading variable information");
        return;
    }
    dbg_printf("[sh]%dx%d, %dbpp\r\n", vinfo.xres, vinfo.yres, vinfo.bits_per_pixel);
    // Figure out the size of the screen in bytes
    screensize =  finfo.smem_len; //finfo.line_length * vinfo.yres;    

    // Map the device to memory
    fbp = (char *)mmap(0, screensize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fbfd, 0);
    if((intptr_t)fbp == -1) {
        perror("Error: failed to map framebuffer device to memory");
        return;
    }
}