01_ARM架构内存映射简介

ARM架构内存映射简介

参考资料： DEN0013D_cortex_a_series_PG.pdf。

1.1.1 页表项

ARM架构支持一级页表映射，也就是说MMU根据CPU发来的虚拟地址可以找到第1个页表，从第1个页表里就可以知道这个虚拟地址对应的物理地址。一级页表里地址映射的最小单位是1M。

ARM架构还支持二级页表映射，也就是说MMU根据CPU发来的虚拟地址先找到第1个页表，从第1个页表里就可以知道第2级页表在哪里；再取出第2级页表，从第2个页表里才能确定这个虚拟地址对应的物理地址。二级页表地址映射的最小单位有4K、1K，Linux使用4K。

一级页表项里的内容，决定了它是指向一块物理内存，还是指问二级页表，如下图：

页表项就是一个32位的数据，里面保存有物理地址，还有一些控制信息。
页表项的bit1、bit0表示它是一级页表项，还是二级页表项。
对于一级页表项，里面含有1M空间的物理基地址，这也成为段映射，该物理地址也被称为段基址。

上图中的TEX、C、B可以用来控制这块空间的访问方法：是否使用Cache、Buffer等待。
下图过于复杂，我们只需要知道：

• 访问外设时不能使用Cache、Buffer
• 访问内存时使用Cache、Buffer可以提高速度
• 如果内存用作DMA传输，不要使用Cache、Buffer

如下图所示：

1.1.2 一级页表映射过程

使用一级页表时，先在内存里设置好各个页表项，然后把页表基地址告诉MMU，就可以启动MMU了。

以下图为例介绍地址映射过程：

• ① CPU发出虚拟地址vaddr，假设为0x12345678

• ② MMU根据vaddr[31:20]找到一级页表项

  • 虚拟地址0x12345678是虚拟地址空间里第0x123个1M
  • 所以找到页表里第0x123项，根据此项内容知道它是一个段页表项
  • 段内偏移是0x45678。

• ③ 从这个表项里取出物理基地址：Section Base Address，假设是0x81000000

• ④ 物理基地址加上段内偏移得到：0x81045678

所以CPU要访问虚拟地址0x12345678时，实际上访问的是0x81045678的物理地址。

1.1.3 二级页表映射过程

先设置好一级页表、二级页表，并且把一级页表的首地址告诉MMU。

以下图为例介绍地址映射过程：

• ① CPU发出虚拟地址vaddr，假设为0x12345678

• ② MMU根据vaddr[31:20]找到一级页表项

  • 虚拟地址0x12345678是虚拟地址空间里第0x123个1M，所以找到页表里第0x123项。
  • 根据此项内容知道它是一个二级页表项。

• ③ 从这个表项里取出地址，假设是address，这表示的是二级页表项的物理地址；

• ④ vaddr[19:12]表示的是二级页表项中的索引index即0x45，在二级页表项中找到第0x45项；

• ⑤ 二级页表项格式如下
  

• 里面含有这4K或1K物理空间的基地址page base addr，假设是0x81889000

  • 它跟vaddr[11:0]组合得到物理地址：0x81889000 + 0x678 = 0x81889678

• 所以CPU要访问虚拟地址0x12345678时，实际上访问的是0x81889678的物理地址

1.1.4 cache和buffer

本小节参考：ARM的cache和写缓冲器（write buffer）

使用MMU时，需要有cache、buffer的知识。
下图是CPU和内存之间的关系，有cache、buffer(写缓冲器)。
Cache是一块高速内存；写缓冲器相当于一个FIFO，可以把多个写操作集合起来一次写入内存。

程序运行时有“局部性原理”，这又分为时间局部性、空间局部性。

• 时间局部性：
  在某个时间点访问了存储器的特定位置，很可能在一小段时间里，会反复地访问这个位置。

• 空间局部性
  访问了存储器的特定位置，很可能在不久的将来访问它附近的位置。

而CPU的速度非常快，内存的速度相对来说很慢。
CPU要读写比较慢的内存时，怎样可以加快速度？
根据“局部性原理”，可以引入cache：

• 读取内存addr处的数据时

  • 先看看cache中有没有addr的数据，如果有就直接从cache里返回数据：这被称为cache命中。
  • 如果cache中没有addr的数据，则从内存里把数据读入
    注意：它不是仅仅读入一个数据，而是读入一行数据(cache line)。
  • 而CPU很可能会再次用到这个addr的数据，或是会用到它附近的数据，这时就可以快速地从cache中获得数据。

• 写数据

  • CPU要写数据时，可以直接写内存，这很慢；也可以先把数据写入cache，这很快。
  • 但是cache中的数据终究是要写入内存的啊，这有2种写策略：
    • a. 写通(write through)：
      数据要同时写入cache和内存，所以cache和内存中的数据保持一致，但是它的效率很低。
      能改进吗？可以！
      使用“写缓冲器”：cache大哥，你把数据给我就可以了，我来慢慢写，保证帮你写完。
      有些写缓冲器有“写合并”的功能，比如CPU执行了4条写指令：写第0、1、2、3个字节，每次写1字节；写缓冲器会把这4个写操作合并成一个写操作：写word。
      对于内存来说，这没什么差别，但是对于硬件寄存器，这就有可能导致问题。
      所以对于寄存器操作，不会启动buffer功能；对于内存操作，比如LCD的显存，可以启用buffer功能。
    • b. 写回(write back)：
      新数据只是写入cache，不会立刻写入内存，cache和内存中的数据并不一致。
      新数据写入cache时，这一行cache被标为“脏”(dirty)；当cache不够用时，才需要把脏的数据写入内存。
      使用写回功能，可以大幅提高效率。但是要注意cache和内存中的数据很可能不一致。这在很多时间要小心处理：比如CPU产生了新数据，DMA把数据从内存搬到网卡，这时候就要CPU执行命令先把新数据从cache刷到内存。反过来也是一样的，DMA从网卡得过了新数据存在内存里，CPU读数据之前先把cache中的数据丢弃。

是否使用cache、是否使用buffer，就有4种组合(Linux内核文件arch\arm\include\asm\pgtable-2level.h)：

上面4种组合对应下表中的各项，一一对应(下表来自s3c2410芯片手册，高架构的cache、buffer更复杂，但是这些基础知识没变)：

第1种是不使用cache也不使用buffer，读写时都直达硬件，这适合寄存器的读写。

第2种是不使用cache但是使用buffer，写数据时会用buffer进行优化，可能会有“写合并”，这适合显存的操作。因为对显存很少有读操作，基本都是写操作，而写操作即使被“合并”也没有关系。

第3种是使用cache不使用buffer，就是“write through”，适用于只读设备：在读数据时用cache加速，基本不需要写。

第4种是既使用cache又使用buffer，适合一般的内存读写。

是写操作，而写操作即使被“合并”也没有关系。

第3种是使用cache不使用buffer，就是“write through”，适用于只读设备：在读数据时用cache加速，基本不需要写。

第4种是既使用cache又使用buffer，适合一般的内存读写。