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MMU
回帖（1）
2022-2-23 10:44:19
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？
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…
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？
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。
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