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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