Mini2440內存管理單元MMU
一級頁表：linux
TTB base表明一級頁表的地址，將它寫入協處理器CP15的寄存器C2（稱爲頁表基址寄存器）便可，一級頁表的地址是16K對齊，使用[31:14]存儲頁表基址，[13:0]爲0。一級頁表使用4096個描述符來表示4GB空間，每一個描述符對應1MB的虛擬地址，要麼存儲它對應的1MB物理空間的起始地址，要麼存儲下一級頁表的地址。使用MVA[31:20]來索引一級頁表（2^12=4096個描述符），獲得一個描述符，每一個描述符佔4個字節。算法
一級描述符低兩位：
00：無效（Fault）
01：粗頁表（Coarse page table）
[31:10]爲粗頁表基址，此描述符低10位填充0後就是一個二級頁表的物理地址，二級頁表含256個條目（[9:2]），
每一個條目表示4KB大小的物理地址，一個粗頁表表示1MB物理地址。
10：段（Section）
[31:20]爲段基址，此描述符低20位填充0後就是一塊1MB物理地址空間的起始地址。MVA[19:0]用來在這1MB空間中尋址。
以段的方式進行映射時，虛擬地址MVA到物理地址PA的轉換過程以下：
①頁表基址寄存器位[31:14]和MVA[31:20]組成一個低兩位爲0的32位地址，MMU利用這個地址找到段描述符
②取出段描述符的位[31:20]（段基址），它和MVA[19:0]組成一個32位的物理地址（這就是MVA對應的PA）
11：細頁表（Fine page table）express
[31:12]爲細頁表基址（Fine page table base address），此描述符的低12位填充0後，就是一個二級頁表的物理地址。緩存
此二級頁表含1024個條目（[11:2]），其中每一個條目表示大小1kb的物理地址空間，一個細頁表表示1MB物理地址空間。dom
二級頁表：ide
以大頁（64KB），小頁（4KB）或極小頁（1KB）進行地址映射時，須要用到二級頁表，二級頁表有粗頁表、細頁表兩種，二級頁表描述符格式以下：函數
因爲本次程序只使用一級頁表，以段的方式進行地址映射。因此二級頁表的4種狀況就不總結了，看書。oop
內存的訪問權限檢查：優化
它決定一塊內存是否容許讀、是否容許寫。這由CP15寄存器C3（域訪問控制）、描述符的域（Domain）、CP15寄存器C1的R/S/A位、描述符的AP位共同決定。spa
「域」決定是否對某塊內存進行權限檢查，「AP」決定如何對某塊內容進行權限檢查。
S3C2440有16個域，CP15寄存器C3中每兩位對應一個域（一共32位）。
00：無訪問權限（任何訪問都將致使「Domain fault」異常）
01：客戶模式（使用段描述符、頁描述符進行權限檢查）
10：保留（保留，目前至關於「無訪問權限」）
11：管理模式（不進行權限檢查，容許任何訪問）
Domain佔用4位，用來表示內存屬於0-15，哪個域，例如：
粗頁表中的「Domain」爲0b1010，表示1MB內存屬於域10，若是域訪問控制寄存器的[21:20]等於0b01，則使用描述符中的"AP"位進行權限檢查，若是等於0b11，則不進行權限檢查，容許任何訪問。
AP、ap三、ap二、ap一、ap0結合CP15寄存器C1的R/S位，決定如何進行訪問檢查。
下表爲AP、S、R的對照表
| AP | S | R | 特權模式 | 用戶模式 | 說明 |
| 00 | 0 | 0 | 無訪問權限 | 無訪問權限 | 任何訪問將產生「Permission fault」異常 |
| 00 | 1 | 0 | 只讀 | 無訪問權限 | 在超級權限下能夠進行讀操做 |
| 00 | 0 | 1 | 只讀 | 只讀 | 任何寫操做將產生」Permission fault「異常 |
| 00 | 1 | 1 | 保留 | - | - |
| 01 | x | x | 讀/寫 | 無訪問權限 | 只容許在超級模式下訪問 |
| 10 | x | x | 讀/寫 | 只讀 | 在用戶模式下進行寫操做將產生"Permission fault"異常 |
| 11 | x | x | 讀/寫 | 讀/寫 | 在全部模式下容許任何訪問 |
| xx | 1 | 1 | 保留 | - | - |
轉譯查找緩存（Translation Lookaside Buffers， TLB）
Cache：
S2C2440內置了指令Cache（ICaches）、數據Cache（DCaches）、寫緩存（Write buffer），須要用到描述符中的C位（Ctt）和B位（Btt）。
S3C2440 MMU、TLB、Cache的控制指令：
S3C2440除了ARM920T的CPU核心外，還有若干個協處理器，用來幫助主CPU完成一些特殊功能。對MMU、TLB、Cache等的操做涉及到協處理器。
<MCR|MRC> {cond} p#,<expression1>,Rd,cn,cm{,<expression2>}
MRC //從協處理器得到數據，傳給ARM920T CPU核心寄存器
MCR //數據從ARM920T CPU核心寄存器傳給協處理器
{cond} //執行條件，省略時表示無條件執行
p# //協處理器序號
<expression1> //一個常數
Rd //ARM920T CPU核心的寄存器
cn和cm //協處理器中的寄存器
<expression2> //一個常數
其中，<expression1>、cn、cm、<expression2>僅供協處理器使用，它們的做用如何取決於具體的協處理器。
@************************************************************************* @ 設置SDRAM，將第二部分代碼複製到SDRAM，設置頁表，啓動MMU，而後跳到SDRAM繼續執行 @ 2015.11.8 by Huangtao @************************************************************************* .text .global _start _start: ldr sp, =4096 @ 設置棧指針，如下都是C函數，調用前須要設好棧 bl disable_watch_dog @ 關閉WATCHDOG，不然CPU會不斷重啓 bl memsetup @ 設置存儲控制器以使用SDRAM bl copy_2th_to_sdram @ 將第二部分代碼複製到SDRAM bl create_page_table @ 設置頁表 bl mmu_init @ 啓動MMU ldr sp, =0xB4000000 @ 重設棧指針，指向SDRAM頂端(使用虛擬地址) ldr pc, =0xB0004000 @ 跳到SDRAM中繼續執行第二部分代碼LED halt_loop: b halt_loop
/******************************************************* 進行一些初始化，在Steppingstone中運行 init.c和head.S同屬第一部分程序，此時MMU未開啓，使用物理地址 2015.11.8 by Huangtao *///**************************************************** // WATCHDOG寄存器 #define WTCON (*(volatile unsigned long *)0x53000000) // 存儲控制器的寄存器起始地址 #define MEM_CTL_BASE 0x48000000 // 關閉WATCHDOG，不然CPU會不斷重啓 void disable_watch_dog(void) { WTCON = 0; } // 設置存儲控制器以使用SDRAM void memsetup(void) { // SDRAM 13個寄存器的值 unsigned long const mem_cfg_val[]={ 0x22011110, //BWSCON 0x00000700, //BANKCON0 0x00000700, //BANKCON1 0x00000700, //BANKCON2 0x00000700, //BANKCON3 0x00000700, //BANKCON4 0x00000700, //BANKCON5 0x00018005, //BANKCON6 0x00018005, //BANKCON7 0x008C07A3, //REFRESH 0x000000B1, //BANKSIZE 0x00000030, //MRSRB6 0x00000030, //MRSRB7 }; int i = 0; volatile unsigned long *p = (volatile unsigned long *)MEM_CTL_BASE; for(; i < 13; i++) p[i] = mem_cfg_val[i]; } // 將第二部分代碼複製到SDRAM void copy_2th_to_sdram(void) { unsigned int *pdwSrc = (unsigned int *)2048; // SDRAM的開始16KB存放一級頁表 unsigned int *pdwDest = (unsigned int *)0x30004000; // 2048~4096 2k while (pdwSrc < (unsigned int *)4096) { *pdwDest = *pdwSrc; pdwDest++; pdwSrc++; } } // 設置頁表 void create_page_table(void) { // 用於段描述符的一些宏定義 #define MMU_FULL_ACCESS (3 << 10) // 訪問權限，AP位設爲11，讀寫都容許 #define MMU_DOMAIN (0 << 5) // 屬於哪一個域，設爲0 #define MMU_SPECIAL (1 << 4) // 必須是1 #define MMU_CACHEABLE (1 << 3) // cacheable #define MMU_BUFFERABLE (1 << 2) // bufferable #define MMU_SECTION (2) // 表示這是段描述符 // C/B位沒設置，不使用Cache和Write buffer #define MMU_SECDESC (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | \ MMU_SECTION) // 使用Cache和Write buffer // 在映射Steppingstone和SDRAM等內存時都使用該種 #define MMU_SECDESC_WB (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | \ MMU_CACHEABLE | MMU_BUFFERABLE | MMU_SECTION) // 一級頁表段描述符大小1MB #define MMU_SECTION_SIZE 0x00100000 unsigned long virtuladdr, physicaladdr; unsigned long *mmu_tlb_base = (unsigned long *)0x30000000; // 將0～1M的虛擬地址映射到一樣的物理地址 virtuladdr = 0; physicaladdr = 0; *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \ MMU_SECDESC_WB; // 0x56000000是GPIO寄存器的起始物理地址， // GPBCON和GPBDAT這兩個寄存器的物理地址0x56000050、0x56000054， // 把從0xA0000000開始的1M虛擬地址空間映射到從0x56000000開始的1M物理地址空間 virtuladdr = 0xA0000000; physicaladdr = 0x56000000; *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \ MMU_SECDESC; // SDRAM的物理地址範圍是0x30000000～0x33FFFFFF， // 將虛擬地址0xB0000000～0xB3FFFFFF映射到物理地址0x30000000～0x33FFFFFF上， // 總共64M，涉及64個段描述符 virtuladdr = 0xB0000000; physicaladdr = 0x30000000; while (virtuladdr < 0xB4000000) { *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \ MMU_SECDESC_WB; virtuladdr += 0x100000; physicaladdr += 0x100000; } } // 啓動MMU void mmu_init(void) { unsigned long ttb = 0x30000000; // <MCR|MRC>{條件} 協處理器序號，常數1，CPU核寄存器，協處理器寄存器1，協處理器寄存器2，常數2 // MRC 從協處理器得到數據，傳給ARM920T CPU核心寄存器 // MCR 數據從ARM920T CPU核心寄存器傳給協處理器 __asm__( "mov r0, #0\n" "mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0\n" /* 使無效ICaches和DCaches */ "mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4\n" /* drain write buffer on v4 */ "mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0\n" /* 使無效指令、數據TLB */ "mov r4, %0\n" /* r4 = 頁表基址 */ "mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0\n" /* 設置頁表基址寄存器 */ "mvn r0, #0\n" "mcr p15, 0, r0, c3, c0, 0\n" /* 域訪問控制寄存器設爲0xFFFFFFFF， * 不進行權限檢查 */ // 對於控制寄存器，先讀出其值，在這基礎上修改感興趣的位，而後再寫入 "mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0\n" /* 讀出控制寄存器的值 */ /* 控制寄存器的低16位含義爲：.RVI ..RS B... .CAM * R : 表示換出Cache中的條目時使用的算法， * 0 = Random replacement；1 = Round robin replacement * V : 表示異常向量表所在的位置， * 0 = Low addresses = 0x00000000；1 = High addresses = 0xFFFF0000 * I : 0 = 關閉ICaches；1 = 開啓ICaches * R、S : 用來與頁表中的描述符一塊兒肯定內存的訪問權限 * B : 0 = CPU爲小字節序；1 = CPU爲大字節序 * C : 0 = 關閉DCaches；1 = 開啓DCaches * A : 0 = 數據訪問時不進行地址對齊檢查；1 = 數據訪問時進行地址對齊檢查 * M : 0 = 關閉MMU；1 = 開啓MMU */ // 先清除不須要的位，往下若須要則從新設置它們 /* .RVI ..RS B... .CAM */ "bic r0, r0, #0x3000\n" /* ..11 .... .... .... 清除V、I位 */ "bic r0, r0, #0x0300\n" /* .... ..11 .... .... 清除R、S位 */ "bic r0, r0, #0x0087\n" /* .... .... 1... .111 清除B/C/A/M */ /* * 設置須要的位 */ "orr r0, r0, #0x0002\n" /* .... .... .... ..1. 開啓對齊檢查 */ "orr r0, r0, #0x0004\n" /* .... .... .... .1.. 開啓DCaches */ "orr r0, r0, #0x1000\n" /* ...1 .... .... .... 開啓ICaches */ "orr r0, r0, #0x0001\n" /* .... .... .... ...1 使能MMU */ "mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0\n" /* 將修改的值寫入控制寄存器 */ : /* 無輸出 */ : "r" (ttb) ); }
/****************************************** Mini2440 LED_GPIO 屬於第二部分程序，此時MMU已開啓，使用虛擬地址 2015.11.8 by Huangtao *///****************************************** #define GPBCON (*(volatile unsigned long *)0xA0000010) //0x56000010 #define GPBDAT (*(volatile unsigned long *)0xA0000014) //0x56000014 #define GPB5_out (1<<(5*2)) #define GPB6_out (1<<(6*2)) #define GPB7_out (1<<(7*2)) #define GPB8_out (1<<(8*2)) /* static inline 這樣能夠使得編譯leds.c時，wait嵌入main中，編譯結果中只有main一個函數。 因而在鏈接時，main函數的地址就是由鏈接文件指定的運行時裝載地址。 而鏈接文件mmu.lds中，指定了leds.o的運行時裝載地址爲0xB4004000， 這樣，head.S中的「ldr pc, =0xB0004000」就是跳去執行main函數。 加volatile的緣由是mini2440上帶的arm-linux-gcc 4.4.3 會將其優化掉 Makefile編譯選項中帶有（-O0 -O1 -O2 -O3..) */ static inline void wait(volatile unsigned long dly) { for(; dly > 0; dly--); } int main(void) { unsigned long i = 0; GPBCON = GPB5_out|GPB6_out|GPB7_out|GPB8_out; // 將LED1-4對應的GPB5/6/7/8四個引腳設爲輸出 while(1) { wait(3000000); GPBDAT = (~(i<<5)); // 根據i的值，點亮LED1-4，實現流水 ++i; if(i == 16) i = 0; } return 0; }
SECTIONS { firtst 0x00000000 : { head.o init.o } second 0xB0004000 : AT(2048) { leds.o } } /* 第一個段，first內容是head.o和init.o，運行時應該位於0x00000000; 第二個段，second內容是leds.o，運行時應該位於0xB0004000; AT(2048)表示leds.o在連接成可執行文件時存放在什麼位置，即載入地址； 0xB0004000 : AT(2048)這裏指定了兩個地址： 前者是虛擬地址0xB0004000，後者是載入地址AT(2048). first段沒有AT()，則默認其載入地址等於虛擬地址0x00000000; */
objs := head.o init.o leds.o mmu.bin : $(objs) arm-linux-ld -Tmmu.lds -o mmu_elf $^ arm-linux-objcopy -O binary -S mmu_elf $@ arm-linux-objdump -D -m arm mmu_elf > mmu.dis %.o:%.c arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $< %.o:%.S arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $< clean: rm -f mmu.bin mmu_elf mmu.dis *.o
因爲Makefile編譯中帶了優化-O2，致使LED全亮不閃爍，在wait延時中加入volatile可解決。
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