请问如何使用MMU隔离地址空间？

711 MMU

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2022-2-23 07:47:57　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × heks 该类别下有 20 个回答。邀请回答新星之火12138 该类别下有 18 个回答。邀请回答 wang21cj 该类别下有 17 个回答。邀请回答 hgimtk 该类别下有 16 个回答。邀请回答科源机电该类别下有 15 个回答。邀请回答 liutiefu 该类别下有 15 个回答。邀请回答 kghfh 该类别下有 14 个回答。邀请回答 chm5 该类别下有 13 个回答。邀请回答 dgfdf 该类别下有 13 个回答。邀请回答 723662364d 该类别下有 13 个回答。邀请回答一巷清苑该类别下有 13 个回答。邀请回答小华同学该类别下有 12 个回答。邀请回答 jsqueh 该类别下有 12 个回答。邀请回答红旧衫该类别下有 12 个回答。邀请回答早知该类别下有 12 个回答。邀请回答 Ehunt 该类别下有 12 个回答。邀请回答张峰9998 该类别下有 12 个回答。邀请回答 hy381 该类别下有 12 个回答。邀请回答 ggfvxv 该类别下有 12 个回答。邀请回答 YOYOOO 该类别下有 12 个回答。邀请回答举报李宛蔓相关推荐 • 请问大佬rt_malloc申请的动态内存返回的是虚拟地址还是物理地址 3285 • ARM存储系统中的大/小端及MMU简析 3852 • 为什么MMU的地址映射中物理地址会跳变？ 1933 • MMU没映射的地址访问会怎么处理？ 3862 • 请问ARM的虚拟地址映射有“扩大”内存范围的作用吗 3869 • 有对MMU比较了解的吗？ 2236 • 裸机加强版MMU章节页表创建，地址映射相同 1691 • 为什么MMU实验不是4字节对齐？ 1445 • 请问一下RT-Thread可以在带MMU的ARM上跑吗 2156 • Linux用户空间与内核空间的区别？ 2029 1个回答

答案对人有帮助，有参考价值 0 划分空间在32位ARM架构下，我们可用使用的地址空间为4G（0x0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF ），也就是我们能操作的地址空间范围，但是这只是我们软件上的可操作范围。实际上我们的物理内存可能低于4G或者超过4G，超过4G空间我们就需要用64位的ARM，64位的ARM理论上是没有物理内存范围限制的。还有就是你所选的ARM，他具体支持多大的物理内存，不是所有的32位ARM都支持4G物理内存，这个和SOC公司相关，SOC公司会根据ARM核心(v7/v8)来重新设计外设，包括存储。我们举个例子，下面是全志公司基于ARMv7指令集架构，Cortex-A7核心的32位芯片，我们查看芯片的memory map 我们可以看到，芯片为DRAM只划分了2G的地址空间，也就是说我们实际上能够使用的外部RAM物理空间只有2G。好了现在问题来了，对于应用开发者来说，我写程序，我操作存储空间，是希望在（0x0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF ）这个空间来说，都是可用的，至于最终操作的物理空间是不是这个地址，应用开发者不关心。所以我们现在就要解决2个问题如何把用户操作的（0x0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF ）映射到真实可用的物理内存如果真实的物理内存低于4G空间，这个映射又如何完成如何映射地址空间在没有MMU的ARM上，MCU单片机就是个典型的例子，地址空间是无法进行映射的，用户操作的所有地址都是真是的物理地址，这样虽然很高效，但是这种操作也很危险，很容易引起硬件异常从而造成系统崩溃。虚拟地址（VA）我们把（0x0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF ）称为虚拟地址空间，这是和应用开发者使用的编译器或者操作系统决定的，和芯片和物理内存是没有关系的物理地址（PA）这是真实的物理内存芯片上的地址，他的范围由ARM的memory map决定，比如说上面的芯片，物理地址空间就在（0x4000 0000 ~ 0xBFFF FFFF），最大2G，如果超过2G，也是不能访问后面的空间的，所以物理地址是针对ARM芯片来定义的 MMU怎么工作目标：把（0x4000 0000 ~ 0xBFFF FFFF）映射到（0x0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF ）前提：要把2G空间转换4G，从原理上是做不到真实的1：1映射的，我们只能做出一种假象，让用户以为他可用随意使用4G空间，我们发明一种机制，在用户使用虚拟地址的时候，我们用MMU把他转换为2G空间的物理地址即可，一般用户实际的程序对内存的需求都是低于2G。但是如果用户真的需要超过2G的的空间的时候，我们有两种办法：用磁盘来进行内存交换升级物理内存空间，并同时升级芯片到64位，这样你就可用随意扩展你的真是内存空间了我们先不考虑64位的事儿，先来搞定32位下如何映射前面说到，可以借助MMU来完成VM到PM，那这个过程究竟如何完成呢？开启MMU 设置页表步骤很简单，我们来简单描述下这个过程页表是做啥？在32位操作系统中，我们一般会把4G虚拟地址空间划分为用户空间和内核空间，拿Linux来说，（0x0000 0000 ~ 0xBFFF FFFF）3G低端内存为用户空间，（0xC000 0000 ~ 0xFFFF FFFF）1G高端内存用作内核空间。说起来很简单，究竟如何实现，很多人都没有说，其实也很简单，你只需要借助链接器就可以完成这个工作，比如说，你现在有2个程序，一个是内核的hello_world，一个是用户的hello_world，我们可以通过ld来为两个不同的程序指定程序实际的代码和数据运行时所在的位置。具体我们编写两个链接脚本就可以实现了，具体就不细说了。好了，完成了上面这一步，我们完成万里长征第一步，继续加油！根据链接脚本，我们已经划分好了内核空间和用户空间，这个和地址空间映射暂时还没有什么关系，我们先停下脚步，开始说说页表。现在我们假设我们还没有划分用户空间和内核空间，整个虚拟地址空间都还纯洁的像一张白纸，如何完成地址映射呢？首先我们来模拟一下MMU是如何工作的，你就明白了80%了。当我们开启MMU后，ARM读取虚拟地址后，经过MMU单元，会硬件自动转换成物理地址，最后访问内存。注意，这是硬件自动完成的，你只需要设置好TTB的基地址就可以了。映射流程： cpu获取虚拟地址VA 读取CP15中的C13将不同进程的相同虚拟地址转换成MVA，修正后的虚拟地址读取CP15寄存器的C2寄存器，得到TTB的基地址，注意TTB是存放在物理地址中，在编译链接时确定。通过查找页表，最后得到真实的物理地址我们来简单描述一下： MMU得到VA，首先根据进程号修正VA得到MVA，我们暂时还没有使用多进程，这个过程暂时跳过，得到VA后，再读取CP15得到TTB，这个非常重要，这个是地址转换的第一步，TTB里描述了整个VA到PA的转换规则，是段式还是页式，是一级页表，还是二级页表，这个过程是硬件自动完成的，我们要做的只是设置好TTB里的内容，这个和MMU的转换恰好是一个逆向过程。比如说我想把0x0000 0000 ~ 0x1000 0000 映射到 0x5000 0000 ~ 0x6000 0000，我们只需要根据你选择的映射规则逆向的计算出TTB的值，等到MMU转换的时候，就可以正向解释进行正确映射了。好了，总结一下，要想让MMU正常工作，你需要完成哪些工作？为TTB分配好空间，注意这个地址是真实的物理地址，这个时候MMU还没有开启，你必须把他放在真实的物理地址空间，这个一般都是静态分配的，实际上就是一个数组根据你所需要映射的内存区域，配置好TTB的内容如果你只有一个页表，那么设置好这个一个TTB就可以了，MMU来临时就会根据你的TTB规则去转换如果你分为了几个区域，这是就会产生几个不同的页表，不同页表所映射的区域内容是不一样的权限也不一样，就想之前说的用户空间和内核空间，他们的页表就不一样，使用用户空间的页表是无法访问到内核空间的内存的，这样会引起缺页异常并进入到内核态，交给缺页中断进行处理，必须先切换到内核页表才能访问，所以这样也就实现了地址空间的隔离问题说了半天，好像我们要开始实现一个操作系统了，没错，地址空间管理就是操作系统内核核心的模块之一，既然说到这里，我们就列举一下操作系统内核的几个关键模块：内存管理地址空间管理任务调度中断管理 IPC 你要是把这几大模块搞定了，你就可以随随便便写一个操作系统内核了。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索…

2022-2-23 10:44:19 评论举报程娇