第一期_内存管理单元MMU
1.了解虚拟地址和物理地址的关系
2.掌握如何控制MMU来控制虚拟地址到物理地址的转化
3.了解MMU内存方位权限
4.了解TLB、Cache、Write buffer的原理,使用时的注意事项
Cache简述及协处理器指令Cache简述及协处理器指令
在2440芯片里面除了CPU之外, Instruction MMU 指令MMU;
Data MMU 数据MMU;
InstructionC ACHE(16KB) 指令cache;
Data CACHE (16KB) 数据cache
全都通过CP15协处理器来进行操作这些
协处理器的含义作用 coprocessor协助主处理器做某些事情, 比如在ARM系统中有cp0 – cp15一共16个协处理器,其中cp15负责管理mmu icache
1 int sum() 2 { 3 int I; 4 int sum = 0; 5 for(I = 0; I <= 100; I++ ) 6 { 7 sum += I; 8 } 9 return sum; 10 }
1 不断的读写地址A和B
2 不断的执行for循环里面代码
2.1 取指令
2.2 执行指令
问SDRAM非常慢,那么怎么提高程序执行效率? 先引入一个感念,程序局部性原理
- 时间局部性:在同一段时间里,有极大的概率访问同一地址的指令或数据
- 空间局部性: 有极大概率访问到相邻空间的指令/数据
我们在一个比较慢的SDRAM上能不能在CPU上开一个高速缓存,把这些指令放进高速缓存icache
指令cache只有16KB 数据cache也只有16KB 而我们的SDRAM有64MB空间,显然不可能存储SDRAM中所有的内容,它只能存储一部分
cache的示意图
以读数据为例
- 1 程序要读地址A的数据
ldr r0, [A的数据]
a. cpu以地址A查找cache,一开始cache无数据,导致cache miss
b.cpu以地址A去sdram中查找数据,存入cache,并返回给cpu
c.程序再次读取地址A的数据,cpu以地址A查找cache,cache中有数据,成为cache hit,直接从cache返回给cpu
d.程序读地址B的数据,cpu以地址B查找cache,cache直接返回给cpu
e.cache满了,cpu访问C,导致1.cache中的数据替换2.填充新的数据
- 第一种不使用cache buffer 适用于直接硬件操作 gpio 得到最新数据
- 第二种 不使用cache使用write buffer, cpu把写发给buffer,cpu就可以直接下一条指令
- 第三种 WT 写通方式 使用cache不使用buffer,马上写硬件,CPU直接写给write buffer 由write执行缓慢写操作
- 第四种 写回方式
miss:cpu写给write buffer,然后由write buffer写给硬件
hit:cpu数据写入cache标记为dirty1.cache替换时,dirty->write buffer->硬件2.强刷flash时,cache->write buffer->硬件
开启ICache代码示例
CPU中还有许多协处理器来协助主处理功能 比如2440有CP0 ~ CP15一共16个协处理器
CP15管理cache mmu 我们启动cache需要操作CP15 协处理器指令 先看硬件结构
1 mov r1,r0 2 是把r0传给r1 3 mrc 4 c coprocessor =传给=> register
mcr 是把主处理器的值发给协处理器 register =传给=> coprocessor
<MCR|MRC>{cond} p#,<expression1>,Rd,cn,cm{,<expression2>}
mcr P15, 0, r1,c1
expression1 值设置为0,表示用不到 r1 是主cpu寄存器里面的值 c1 是cp15寄存器里的值 cm, 用不到,写为c0 expression2 值设置为0,表示用不到 cm和expression2用来区分哪一个c1,一般写为c0, 0
反过来要从cp15寄存器读到主cpu寄存器
mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0
这条命令表示协处理器cp15 c1寄存器的值读出来写入主cpu的r1寄存器
接下来写程序使能cache 注意2440里有data cache和指令cache 其中data cache要启用地址映射才可以使用,只能使用指令cache
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
1 reset: 2 /* 关闭看门狗 */ 3 ldr r0, =0x53000000 4 ldr r1, =0 5 str r1, [r0] 6 7 /* 设置MPLL, FCLK : HCLK : PCLK = 400m : 100m : 50m */ 8 /* LOCKTIME(0x4C000000) = 0xFFFFFFFF */ 9 ldr r0, =0x4C000000 10 ldr r1, =0xFFFFFFFF 11 str r1, [r0] 12 13 /* CLKDIVN(0x4C000014) = 0X5, tFCLK:tHCLK:tPCLK = 1:4:8 */ 14 ldr r0, =0x4C000014 15 ldr r1, =0x5 16 str r1, [r0] 17 18 /* 设置CPU工作于异步模式 */ 19 mrc p15,0,r0,c1,c0,0 20 orr r0,r0,#0xc0000000 //R1_nF:OR:R1_iA 21 mcr p15,0,r0,c1,c0,0 22 23 /* 设置MPLLCON(0x4C000004) = (92<<12)|(1<<4)|(1<<0) 24 * m = MDIV+8 = 92+8=100 25 * p = PDIV+2 = 1+2 = 3 26 * s = SDIV = 1 27 * FCLK = 2*m*Fin/(p*2^s) = 2*100*12/(3*2^1)=400M 28 */ 29 ldr r0, =0x4C000004 30 ldr r1, =(92<<12)|(1<<4)|(1<<0) 31 str r1, [r0] 32 33 /* 一旦设置PLL, 就会锁定lock time直到PLL输出稳定 34 * 然后CPU工作于新的频率FCLK 35 */ 36 /* 37 使能icache 38 */ 39 bl enable_icache 40 41 /* 设置内存: sp 栈 */ 42 /* 分辨是nor/nand启动 43 * 写0到0地址, 再读出来 44 * 如果得到0, 表示0地址上的内容被修改了, 它对应ram, 这就是nand启动 45 * 否则就是nor启动 46 */ 47 mov r1, #0 48 ldr r0, [r1] /* 读出原来的值备份 */ 49 str r1, [r1] /* 0->[0] */ 50 ldr r2, [r1] /* r2=[0] */ 51 cmp r1, r2 /* r1==r2? 如果相等表示是NAND启动 */ 52 ldr sp, =0x40000000+4096 /* 先假设是nor启动 */ 53 moveq sp, #4096 /* nand启动 */ 54 streq r0, [r1] /* 恢复原来的值 */ 55 56 bl sdram_init 57 //bl sdram_init2 /* 用到有初始值的数组, 不是位置无关码 */ 58 59 /* 重定位text, rodata, data段整个程序 */ 60 bl copy2sdram 61 62 /* 清除BSS段 */ 63 bl clean_bss 64 65 /* 复位之后, cpu处于svc模式 66 * 现在, 切换到usr模式 67 */ 68 mrs r0, cpsr /* 读出cpsr */ 69 bic r0, r0, #0xf /* 修改M4-M0为0b10000, 进入usr模式 */ 70 bic r0, r0, #(1<<7) /* 清除I位, 使能中断 */ 71 msr cpsr, r0 72 73 /* 设置 sp_usr */ 74 ldr sp, =0x33f00000 75 76 ldr pc, =sdram 77 sdram: 78 bl uart0_init 79 80 bl print1 81 /* 故意加入一条未定义指令 */ 82 und_code: 83 .word 0xdeadc0de /* 未定义指令 */ 84 bl print2 85 86 swi 0x123 /* 执行此命令, 触发SWI异常, 进入0x8执行 */ 87 88 //bl main /* 使用BL命令相对跳转, 程序仍然在NOR/sram执行 */ 89 ldr lr, =halt 90 ldr pc, =main /* 绝对跳转, 跳到SDRAM */ 91 92 halt: 93 b halt 94 如何使能icache 打开2410芯片手册 95 enable_icache: 96 /* 设置协处理器使能icache */ 97 mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 98 orr r0, r0, #(1<<12) /* r0 = r0 or (1<<12) */ 99 mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 //吧修改好的r0写给cp15的c1寄存器 100 mov pc, lr
MMU及地址映射
对于JZ2440它有64M内存(SDRAM),假设现在有N个APP同时运行,则:
①它们同时保存在SDRAM里;
②它们的地址各不相同;
之前我们讲过链接地址,链接地址就是程序运行时所处地址。
假设APP1所处的地址是Addr1,APP2所处的地址是Addr2,APPn所处的地址是Addrn,则编译某个App时,需要单独指定它的的链接地址,这是一个不可能完成的任务。因为,假如只有几个程序,为每个程序单独的指定地址还能够实现,但对于一个开放式的嵌入式系统,应用程序可能有成百上千个,你不可能重新编译这成百上千的应用程序,并且这些应用程序运行时保存的地址,也是不可预料的。为了解决上述问题,于是就引入了虚拟地址。
也就是说虽然这些应用程序它们保存在内存中的位置各不一样,但对于CPU,它们运行时,都在同一个虚拟地址上。
举个例子,如视频中的两个hello应用程序,编译后查看反汇编代码,可以看到这两个程序的起始地址都是0x80A4。于是CPU运行两个APP时,都会去0x80A4读指令,然后经过MMU转换成Addr1、Addr2。这样,不同的APP可以在相同的虚拟地址,经过MMU地址转换后,在内存上是不同的物理地址,互不干扰。
这里说的同时运行,并不是真正的同时运行,CPU是分时操作,APP1先工作很短一段时间,再APP2工作很短的一段时间,宏观的来看就是两个在同时工作。
因此,引入虚拟机地址的原因之一:让APP可以以同样的链接地址来编译;
在电子系统里面,内存都是有限的,无论是嵌入式系统还是电脑,比如我们的JZ2440内存就只有64M,这时假如有一个APP,需要1G的内存。应用程序执行时,不是一次性将所有代码都放入内存,而是将要运行的部分依次放入,当放入的代码指令大于64M后,会先将SDRAM里暂时用不到代码指令先置换出来,再放入需要运行的代码指令。这样尽管SDRAM很小,也可以运行内存需要很大的应用程序,而这个置换管理的工作,就是由MMU完成
因此,引入虚拟机地址的原因之二:让大容量APP可以在资源少的系统上运行;
此外,不同的APP之间应该相互独立,避免APP1能直接访问到APP2,以防止APP1影响APP2。
因此,引入虚拟机地址的原因之三:权限管理,禁止访问其它空间;
CPU发出虚拟地址(VA)到达MMU,MMU转换成物理地址(PA)发给硬件,那么MMU怎么根据什么将一个虚拟地址转换成物理地址?
a.表格
最简单的方法就是弄一个表格,将VA和PA对应起来,根据VA就能找到PA。这种方法优点是简单,缺点是有点浪费空间,需要同时记录VA和PA的地址。
b.改进
在表格里面,我们只保存PA,PA1对应的VA是0~1M-1,PA2对应的VA是1M~2M-1,以此类推。这样改进后,只需要原来表格容量的一半即可。最后还需要把基地址告诉MMU,启动MMU。
怎么使用MMU?
1.在内存中创建这些表格(页表);
2.把页表基地址告诉MMU;
3.设置CP15,启动MMU;
对于一级页表,我们只需要关系“Section”这一行,里面的PA是物理地址,剩下的AP、Domain、C、B用来进行权限管理。
- 权限管理:
权限管理就是是否允许程序访问某块内存,有以下几种情况:
a.完全不允许访问;
b.允许系统模式访问,不允许用户模式访问;
c.用户模式下,根据描述符中的AP决定怎么访问;
- 域:
在CP15寄存器有个C3,用来进行域控制。
ARM9中,有16个域,每个域用2位来表示4种权限。
- 条目/描述符(AP):
①设置domain;查看CP15 C3,确定域权限;
②如果域权限是01,使用AP来决定;
AP来自页表中的描述符,S、R来自CP15中的C1;
最后再来补充一个概念,前面我们运行多个APP,切换进程时,需要重新把0x80B4地址对应到不同的物理地址上,也就是说,每切换一个进程,你都需要重新修改下页表,这个开销非常的大,那有什么办法优化呢?
引入MVA,也就是修改后的虚拟地址。
if (VA<32M) MVA=VA|(pid<<25); else MVA=VA;
当虚拟地址小于32M时,MVA和进程的PID有关,否则等于VA,这就可以解决切换进程,频繁构造页表的问题。 假设现在有两个APP,分别是APP1和APP2,链接地址都是0x80b4,PID分别是1和2。
①当CPU运行APP1时,发出VA,MVA=VA(1<<25),对应的页表是PA=APP1所在的内存;
②当CPU运行APP2时,发出VA,MVA=VA(2<<25),对应的页表是PA=APP2所在的内存;
虽然我们发出的都是同一个VA,但因为PID不一样,所对应的页表项也就不一样,也就不需要重新去构造页表,这样进程从APP1切换到APP2时,只需要修改PID即可,不需要去重新创建页表,这样就可以提高切换效率。
MMU代码示例
在创建一个一级页表前,我们要先确定要映射哪些虚拟地址(VA),映射到哪个物理地址(PA),类型是否使用Cache和Buffer(CB)。
我们程序一开始运行是从0地址开始运行,为了保证使能MMU后,前后的地址保持一致,0地址这段我们需要映射。
在做了一些初始化后,会用到栈,如果是nor启动,栈是0x40000000开始。
VA PA CB 0 0 00 0x40000000 0x40000000 11
然后映射64M的SDRAM:
64M sdram: VA PA CB 0x30000000 0x30000000 11 ...... 0x33f00000 0x33f00000 11
接着是映射寄存器,且不应该使用Cache和Buffer:
register: 0x48000000~0x5B00001C VA PA CB 0x48000000 0x48000000 00 ....... 0x5B000000 0x5B000000 00
涉及LCD的话,还有Framebuffer:
Framebuffer : 0x33c00000 VA PA CB 0x33c00000 0x33c00000 00
同时,为了验证映射成功,先修改链接脚本中的链接地址为0xB00000000,再对应的映射0xB00000000到原来的0x300000000:
link address: VA PA CB 0xB0000000 0x30000000 11
#define MMU_SECDESC_AP (3<<10) #define MMU_SECDESC_DOMAIN (0<<5) #define MMU_SECDESC_NCNB (0<<2) #define MMU_SECDESC_WB (3<<2) #define MMU_SECDESC_TYPE ((1<<4) | (1<<1)) #define MMU_SECDESC_FOR_IO (MMU_SECDESC_AP | MMU_SECDESC_DOMAIN | MMU_SECDESC_NCNB | MMU_SECDESC_TYPE) #define MMU_SECDESC_FOR_MEM (MMU_SECDESC_AP | MMU_SECDESC_DOMAIN | MMU_SECDESC_WB | MMU_SECDESC_TYPE)
设置页表的第一步,就是设置页表保存的位置在哪,随便选择一个没使用过的空间即可,大小为16K:
/* ttb: translation table base */ unsigned int *ttb = (unsigned int *)0x32000000;
第二步就是根据va,pa依次设置页表条目,这里我们写个函数来完成对应关系:
#define IO 1 #define MEM 0 void create_secdesc(unsigned int *ttb, unsigned int va, unsigned int pa, int io) { int index; index = va / 0x100000; if (io) ttb[index] = (pa & 0xfff00000) | MMU_SECDESC_FOR_IO; else ttb[index] = (pa & 0xfff00000) | MMU_SECDESC_FOR_MEM; }
#define IO 1 #define MEM 0 void create_secdesc(unsigned int *ttb, unsigned int va, unsigned int pa, int io) { int index; index = va / 0x100000; if (io) ttb[index] = (pa & 0xfff00000) | MMU_SECDESC_FOR_IO; else ttb[index] = (pa & 0xfff00000) | MMU_SECDESC_FOR_MEM; }
然后依次映射每个页表条目:
1 create_secdesc(ttb,0,0,IO); 2 3 create_secdesc(ttb,0x40000000,0x40000000,MEM); 4 5 va = 0x30000000; 6 7 pa = 0x30000000; 8 9 for(;va < 0x34000000;) 10 { 11 create_secdesc(ttb,va,pa,MEM); 12 va += 0x100000; 13 pa += 0x100000; 14 } 15 16 va = 0x48000000; 17 18 pa = 0x48000000; 19 20 for(;va < 0x5B000000;) 21 { 22 create_secdesc(ttb,va,pa,IO); 23 va += 0x100000; 24 pa += 0x100000; 25 } 26 27 create_secdesc(ttb,0x33c00000,0x33c00000,IO); 28 29 create_secdesc(ttb,0xB0000000,0x30000000,MEM);
至此,我们完成了MMU的设置,还需要使能MMU。 在Start.S里面添加mmu_enable,需要做的步骤有: 1.把页表基址告诉cp15 2.设置域为0xffffffff, 不进行权限检查 3.使能icache,dcache,mmu 4.返回到之前位置
mmu_enable: /* 把页表基址告诉cp15 */ ldr r0, =0x32000000 mcr p15, 0, r0, c2, c0, 0 /* 设置域为0xffffffff, 不进行权限检查 */ ldr r0, =0xffffffff mcr p15, 0, r0, c3, c0, 0 /* 使能icache,dcache,mmu */ mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 orr r0, r0, #(1<<12) /* enable icache */ orr r0, r0, #(1<<2) /* enable dcache */ orr r0, r0, #(1<<0) /* enable mmu */ mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 mov pc, lr
a. cpu以地址A查找cache,一开始cache无数据,导致cache miss