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控制器中如何设计MMU--虚拟内存管理机制
wangjimima 发表于 2017/12/15 10:19:33 1383 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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高级处理器CPU一般都会实现内存管理单元(MMU)，其也是Linux等高级操作系统运行的必备条件。虚拟内存管理是linux操作系统的基本组件之一，其目的是让每个应用程序都单独拥有足够大的（G字节级别）逻辑空间，并共享同一块较小的物理内存空间。虚拟内存管理正是依赖内存管理单元（MMU）来实现的。各进程在内存中的页表和MMU中的TLB（相当于页表的cache）是虚拟内存管理中的重要概念。
在很多场景下的产品并不需要高级处理器那么强的计算能力，而基于控制器的SOC更具竞争力，更低功耗，更省成本！但是基于MMU的虚拟内存管理思想对于轻量化的多任务操作系统来说至关重要。假如，我们希望在基于控制器的SOC中实现MMU单元，然后通过定制操作系统的虚拟管理模块来实现内存管理，该怎么做呢？
一、内存管理单元(MMU)的工作机制
在阐述控制器领域的内存管理设计之前，还是要先介绍处理器领域的虚拟内存管理机制，前者很大程度上是对后者核心机制精髓的借鉴。实现虚拟内存管理有几个模块是协调工作的：CPU、MMU、操作系统、物理内存，如图示（假设该芯片系列没有cache）：
我们根据上图来分析一下CPU访问内存的过程，假设寻址是0x10000008，一页大小为4K（12比特）。则虚拟地址会分成两个部分：页映射部分（20bit，0x10000）+页内偏移（12bit， 0x8）。CPU通过总线把地址信号（0x10000008）送给MMU，MMU会把该地址的页映射部分（20bit）拿到TLB中匹配。
TLB是什么东西？Translation Lookaside Buffer，网上有称为“翻译后备缓冲器”。这个翻译都不知道它干什么。它的作用就是页表的缓冲，我喜欢叫它为页表cache。其结构图如下：
可以想象，TLB就是索引地址数组，数组的每个元素就是一个索引结构，包含虚拟页地址和物理页地址。其在芯片内部表现为寄存器形式，一般寄存器都是32位，实际上TLB中的页地址也是32位寄存器，只不过索引比较时是比较前20bit，后12bit其实也是有用的，例如可以设置某个bit是表示常驻的，即该索引是永远有效的，不能更换，这种场景一般是为适合一些性能要求特别高的编解码算法而设计的。非常驻内存的一般在某个时刻（如TLB填满时访问一个新的页地址）就会发生置换。
1） 假如 0x10000008的前20bit在TLB中第M个索引中命中，这时就表示该虚拟页在物理内存中已经给它分配好对应的物理内存，页表中也已经做好记录。至于虚拟地址对应的代码页是否从外存储（flash，card，硬盘）的程序中加载到内存中还需要要另外的标记，怎么标记呢？就是利用上面所讲的TLB低12位的某一bit（我们称为K）来标识，1标识代码数据已经加载到内存，0表示还没加载到内存。假如是1，那就会用M中的物理地址作为高20bit，以页内偏移0x8作为低12bit，形成一个物理地址，送到内存去访问。此时该次访问就会完成。
2） 假如 K是0，那意味着代码数据尚未加载到内存，这时MMU会向中断管理模块输出信号，触发一个中断进行内核态，由操作系统负责将对应的代码页加载到内存。并修改对应页表项的K比特和TLB对应项的K比特为1.
3） 假如 0x10000008的前20bit在TLB所有索引中都没有命中，则MMU也会向中断管理模块输出一个信号触发中断进入内核态，由操作系统将0x10000008右移12位（即除以4K）到页表中去取得对应的物理页值，假如物理页值非0有效，说明代码已经加载到内存了，这时将页表项的值填入到某一个空闲的TLB项中；假如物理页值为0，说明尚未给这个虚拟页分配实际的物理内存空间，这时会给它分配实际的物理内存，并写好页表的对应项（这时K是0），最后将这索引项写入TLB的其中一条。
2）和3）其实都是在中断内核态中完成的，为什么不一块做了呢？主要是因为一次中断不应该做太多事情，以加大中断延时，影响系统性能。当然如果有芯片将两者做成一个中断也是可以理解的。我们再来看看页表的结构。页表当然也可以按TLB那样做成索引数组，但是这样有两个不好的地方：
1）页表是要映射所有的虚拟页面的，其维护在内存中也需要不小的空间。页大小是4K时，那映射全部就是4G/4K=1M条索引，每条索引4*2=8个字节，就是8M内存。
2）假如按TLB那种结构，那匹配索引的过程就是一个for循环匹配电路，效率很低，要知道我们做这个都是在中断态完成的。
所以一般的页表都是设计成一维数组，即以整个线性虚拟地址空间按页为单位依次作为数组的下标，即页表的第一个字（4字节）就映射虚拟地址空间的最低4K，第二个字映射虚拟地址最低的第二个4K，以此类推，页表的第N个字就映射虚拟地址空间的第N个4K空间，即(N-1)*4K~4KN的地址空间。这样页表的大小就是1M*4=4M字节，而且匹配索引的时候只是一个偏移计算，非常快。
二、控制器领域SOC内存管理单元设计
在这里，贴出前公司同事（彭洪、江小炜）的专利，主要阐述了控制器SOC中内存管理单元的设计过程，我在基于MIPS核的SOC中整合并验证了该专利的可行性，并通过定制操作系统和重构应用程序来高效实现了虚拟管理。良好的软、硬件协同设计也是该系列芯片成功量产上亿颗的前提条件。
以下只是MMU的系统设计，有关适配该机制的虚拟内存管理和应用程序重构以后再做分解。大家也可以通过查看“SOC软件架构设计”系列学习更多的软硬件协同设计知识。专利有点长，关键的地方就在于寻址命中时要做什么，不命中时要做什么。