S3C2440的MMU

　　MMU：memory management unit 存储管理单元。主要的作用有2个：权限管理 和 地址映射。

一、功能

　　（1） 权限管理

　　简单说就是，进程之间不能访问对方的地址空间，如强制访问则报错，程序崩溃但不会影响到其它进程。出现的提示是“访问非法地址0xxxxxx”。

　　（2）地址映射

　　即完成虚拟地址到物理地址的转换工作。

二、MMU的地址映射原理

　　首先，观察一个CPU<--->MMU<--->存储管理器<--->外接存储器（以SDRAM为例）框图。

 　　

　　连接1处，即CPU发出的地址。站在CPU角度分析，不会区分虚拟地址和物理地址。如果MMU没有使能的话，那么CPU发出的地址就直接到达存储管理器，是物理地址。而如果MMU使能的情况，CPU发出地址为虚拟地址，经过MMU转换为物理地址。并送到存储管理器。

　　连接2处，即MMU转换完成（如果MMU使能）的物理地址，或者存储管理器接收的物理地址。因此，存储管理器操作的都是物理地址。

　　连接3处，即经过操作选择不同的Bank通过器件的选通功能完成的。

三、MMU的地址转换过程

　　注意本文讲解的都是基于裸跑纯硬件的，并没有复杂操作系统（如Linux）的支持，网上搜到的很多博客都是对有操作系统的讨论。

     MIPS架构中非常简单，其MMU对转换过程满足下述公式：虚拟地址 ＝ 0xA000 0000 + 物理地址

     ARM架构的CPU中较为复杂。分为两种段和页。其中页方式又可以细分为大页、小页、极小页。本文主要讲的是段方式的转换。

     所谓段映射就是建立一个表项，通常一个段的大小规定为1M。

     例如CPU的地址总线是32位的，那么就意味着，访问的地址空间可以达到2的32次方，也就是4G空间。根据段的大小规定1M，所以应该建立的表项就是4G/1M=4096项。具体解释可参见下图

　　　　 

　　如果建立如图所示的表项，那么，如果CPU需要访问的地址在0~1M，那么MMU就会在第1个表项中，取出实际物理地址。然后交给存储管理器。当然，如果访问造成冲突的情况下，需要一定的算法来处理。

　　那么最后可以讲解一个简单的MMU段方式的映射的流程：

　　第1步，建立段表项。

　　在哪建？可以在任意能寻址到的位置（当然是内存了），由于我们通常是在SDRAM中运行程序，所以建议在SDRAM前4K完成此项任务。

　　需要注意，在建立表项之前，请勿使能MMU。这样，此时我们使用的CPU发出的都是物理地址。

　　建立哪些表项，这与应用需求相关，但都应该包括SDRAM的物理地址到虚拟地址的映射过程。因为最后程序都是要在SDRAM上运行。然后，如果你应用程序中需要使用到哪些寄存器，那么就需要建立寄存器实际物理地址到虚拟地址的映射。

　　注意上述的虚拟地址，可以自行指定，如寄存器的虚拟地址的都可以自行定义。而SDRAM的虚拟地址，则需要与链接脚本保持一致。因为链接脚本上的地址不就是程序应该运行在的地址么，是CPU发出的地址，此时它是虚拟地址，所以我们需要利用此虚拟地址与实际的物理地址建立映射关系。

　　第2步，将建立表项的首地址，通知给MMU。具体代码，可参见下述

unsigned long ttb = 0x30000000;//表项地址，即为SDRAM的起始地址
// ARM休系架构与编程
// 嵌入汇编：LINUX内核完全注释
__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
                                         */   
    /*
     * 对于控制寄存器，先读出其值，在这基础上修改感兴趣的位，
     * 然后再写入
     */
    "mrc    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    /* 读出控制寄存器的值 */   
    /* 控制寄存器的低16位含义为：.RVI ..RS B... .CAM
     * R : 表示换出Cache中的条目时使用的算法，
     *     0 = Random replacement；1 = Round robin replacement
     * V : 表示异常向量表所在的位置，
     *     0 = Low addresses = 0x00000000；1 = High addresses = 0xFFFF0000
     * I : 0 = 关闭ICaches；1 = 开启ICaches
     * R、S : 用来与页表中的描述符一起确定内存的访问权限
     * B : 0 = CPU为小字节序；1 = CPU为大字节序
     * C : 0 = 关闭DCaches；1 = 开启DCaches
     * A : 0 = 数据访问时不进行地址对齐检查；1 = 数据访问时进行地址对齐检查
     * M : 0 = 关闭MMU；1 = 开启MMU
     */
    /* 
    * 先清除不需要的位，往下若需要则重新设置它们   
    */
                                        /* .RVI ..RS B... .CAM */
    "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 */
    /*
     * 设置需要的位
     */
    "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" (ttb) );

　　第3步，使能MMU.

 

总结：

整个过程应该是这样的：

1 上电后，CPU自动将nandflash前4K拷贝到SRAM中。

2 从地址0开始执行代码，完成的内容应该包括了硬件初始化（关看门狗、初始化SDRAM等）。

3 建立表项（关于如何建立表项可以参见上述），因为我们需要使用MMU。

4 使能MMU

5 然后LDR PC XXX跳转到SDRAM中执行。注意此时，XXX应该是虚拟地址了，因为已经使能MMU。至于XXX的具体值 ，应该参照链接脚本指定的所谓的程序应该位于的地址运行。所以在写链接脚本指定地址时，也应该是个虚拟地址，而不要写实际的物理地址（0x3xxxxx）。

 

附：

运行一个点灯程序你会发现比不用MMU直接在SDRAM上运行快，这是因为在MMU中有ICache和DCache两个存储器