控制器中如何設計MMU--虛擬內存管理機制

高級處理器CPU通常都會實現內存管理單元(MMU)，其也是Linux等高級操做系統運行的必備條件。虛擬內存管理是linux操做系統的基本組件之一，其目的是讓每一個應用程序都單獨擁有足夠大的（G字節級別）邏輯空間，並共享同一塊較小的物理內存空間。虛擬內存管理正是依賴內存管理單元（MMU）來實現的。各進程在內存中的頁表和MMU中的TLB（至關於頁表的cache）是虛擬內存管理中的重要概念。

        在不少場景下的產品並不須要高級處理器那麼強的計算能力，而基於控制器的SOC更具競爭力，更低功耗，更省成本！可是基於MMU的虛擬內存管理思想對於輕量化的多任務操做系統來講相當重要。假如，咱們但願在基於控制器的SOC中實現MMU單元，而後經過定製操做系統的虛擬管理模塊來實現內存管理，該怎麼作呢？

 

1、內存管理單元(MMU)的工做機制

    在闡述控制器領域的內存管理設計以前，仍是要先介紹處理器領域的虛擬內存管理機制，前者很大程度上是對後者核心機制精髓的借鑑。實現虛擬內存管理有幾個模塊是協調工做的：CPU、MMU、操做系統、物理內存，如圖示（假設該芯片系列沒有cache）：

咱們根據上圖來分析一下CPU訪問內存的過程，假設尋址是0x10000008，一頁大小爲4K（12比特）。則虛擬地址會分紅兩個部分：頁映射部分（20bit，0x10000）+頁內偏移（12bit， 0x8）。CPU經過總線把地址信號（0x10000008）送給MMU，MMU會把該地址的頁映射部分（20bit）拿到TLB中匹配。

TLB是什麼東西？Translation Lookaside Buffer，網上有稱爲「翻譯後備緩衝器」。這個翻譯都不知道它幹什麼。它的做用就是頁表的緩衝，我喜歡叫它爲頁表cache。其結構圖以下：

能夠想象，TLB就是索引地址數組，數組的每一個元素就是一個索引結構，包含虛擬頁地址和物理頁地址。其在芯片內部表現爲寄存器形式，通常寄存器都是32位，實際上TLB中的頁地址也是32位寄存器，只不過索引比較時是比較前20bit，後12bit其實也是有用的，例如能夠設置某個bit是表示常駐的，即該索引是永遠有效的，不能更換，這種場景通常是爲適合一些性能要求特別高的編解碼算法而設計的。很是駐內存的通常在某個時刻（如TLB填滿時訪問一個新的頁地址）就會發生置換。

 

1）  假如 0x10000008的前20bit在TLB中第M個索引中命中，這時就表示該虛擬頁在物理內存中已經給它分配好對應的物理內存，頁表中也已經作好記錄。至於虛擬地址對應的代碼頁是否從外存儲（flash，card，硬盤）的程序中加載到內存中還須要要另外的標記，怎麼標記呢？就是利用上面所講的TLB低12位的某一bit（咱們稱爲K）來標識，1標識代碼數據已經加載到內存，0表示還沒加載到內存。假如是1，那就會用M中的物理地址做爲高20bit，以頁內偏移0x8做爲低12bit，造成一個物理地址，送到內存去訪問。此時該次訪問就會完成。

2）  假如 K是0，那意味着代碼數據還沒有加載到內存，這時MMU會向中斷管理模塊輸出信號，觸發一箇中斷進行內核態，由操做系統負責將對應的代碼頁加載到內存。並修改對應頁表項的K比特和TLB對應項的K比特爲1.

3）  假如 0x10000008的前20bit在TLB全部索引中都沒有命中，則MMU也會向中斷管理模塊輸出一個信號觸發中斷進入內核態，由操做系統將0x10000008右移12位（即除以4K）到頁表中去取得對應的物理頁值，假如物理頁值非0有效，說明代碼已經加載到內存了，這時將頁表項的值填入到某一個空閒的TLB項中；假如物理頁值爲0，說明還沒有給這個虛擬頁分配實際的物理內存空間，這時會給它分配實際的物理內存，並寫好頁表的對應項（這時K是0），最後將這索引項寫入TLB的其中一條。

2）和3）其實都是在中斷內核態中完成的，爲何不一塊作了呢？主要是由於一次中斷不該該作太多事情，以加大中斷延時，影響系統性能。固然若是有芯片將二者作成一箇中斷也是能夠理解的。咱們再來看看頁表的結構。頁表固然也能夠按TLB那樣作成索引數組，可是這樣有兩個很差的地方：

1）頁表是要映射全部的虛擬頁面的，其維護在內存中也須要不小的空間。頁大小是4K時，那映射所有就是4G/4K=1M條索引，每條索引4*2=8個字節，就是8M內存。

2）假如按TLB那種結構，那匹配索引的過程就是一個for循環匹配電路，效率很低，要知道咱們作這個都是在中斷態完成的。

因此通常的頁表都是設計成一維數組，即以整個線性虛擬地址空間按頁爲單位依次做爲數組的下標，即頁表的第一個字（4字節）就映射虛擬地址空間的最低4K，第二個字映射虛擬地址最低的第二個4K，以此類推，頁表的第N個字就映射虛擬地址空間的第N個4K空間，即(N-1)*4K~4KN的地址空間。這樣頁表的大小就是1M*4=4M字節，並且匹配索引的時候只是一個偏移計算，很是快。

2、控制器領域SOC內存管理單元設計

在這裏，貼出前公司同事（彭洪、江小煒）的專利，主要闡述了控制器SOC中內存管理單元的設計過程，我在基於MIPS核的SOC中整合並驗證了該專利的可行性，並經過定製操做系統和重構應用程序來高效實現了虛擬管理。良好的軟、硬件協同設計也是該系列芯片成功量產上億顆的前提條件。

如下只是MMU的系統設計，有關適配該機制的虛擬內存管理和應用程序重構之後再作分解。你們也能夠經過查看「SOC軟件架構設計」系列學習更多的軟硬件協同設計知識。專利有點長，關鍵的地方就在於尋址命中時要作什麼，不命中時要作什麼。