mmu的主要作用就是實現程序隔離

主要功能是

1 虛擬地址到實體地址的轉換

訪問某個程序1的虛擬地址A。mmu轉換為實體地址B訪問。

訪問某個程序2的虛擬地址A。mmu轉換為實體地址C的訪問。

保證不同空間上的同一個虛擬地址訪問對映到不同的實體記憶體。

2 記憶體許可權控制的實現

在頁表項中將某些不需要的bit項變成訪問控制位，控制記憶體的訪問。

在ARM中使用CP15協處理來控制MMU。

CR0 （有兩個物理暫存器） 分別用於記錄ARM的架構以及CACHE型別等等資訊

CR1  控制暫存器，控制各種行為，包括開啟關閉 MMU ，CACHE控制,控制異常向量的位置(0X0還是0XFFFF0000）

CR2  一級頁表基地址

CR3 域的訪問許可權

...

....

以及其他CRx暫存器

UBOOT 部分：

下面的主要參考樹莓派的BCM2835晶片，arm的架構是arm1176。

參考的手冊是

arm1176jzfs.pdf   ARM手冊

BCM2835-ARM-Peripherals.pdf 晶片手冊

MMU提供4K 16K 1M 16M段管理

首先來看以1M作為對映。

每一個頁表條目(4位元組)代表的每一個頁面是1M大小，為了表示4GB的空間，所以一共需要 4096MB/1MB * 4位元組頁表條目=4KB的大小。

也就是從page_table開始的4KB大小的記憶體每四個位元組存放一個頁表條目，一共4096項，每一項代表1MB的空間。如下圖

（對於arm1176jzfs CP15的c1暫存器的bit23控制AP位，AP位開，地址轉換相容ARMV4 V5，AP關，地址轉換採用ARMV6架構 ）

具體的每個條目的每一項參看晶片手冊比較好，這裡只講兩個重要的。

[0:1] 表示當前條目的型別    00表示無效對映  10表示段頁1M或者16M，具體是16M還是1M由第18bit控制

[2:3]表示緩衝快取型別

[11:10] 表示當前頁面的訪問許可權

[31:20] 表示這個條目對映的 物理空間的記憶體地址，因為條目是1M為單位，因此後20bit一定是0，恰好可以用來做一些標記位

用樹莓派uboot初始化的時候頁表操作來演示，如果開啟MMU,則呼叫了

for (i = 0; i < 4096; i++)
set_section_dcache(i, DCACHE_OFF);

執行第一次的初始化

其中set_section_dcache函式如下

void set_section_dcache(int section, enum dcache_option option)
{

	u32 *page_table = (u32 *)gd->arch.tlb_addr;
	u32 value = TTB_SECT_AP;//0XC00

	/* Add the page offset */
	//#define MMU_SECTION_SHIFT  20
	value |= ((u32)section << MMU_SECTION_SHIFT);

	/* Add caching bits */
	value |= option;

	/* Set PTE */
	page_table[section] = value;
}

首先value=TTB_SEC_AP=0xC00

DCACHE_OFF =0x12=0b  1(4bit) 0(3bit) 0(2bit) 1(1bit) 0(0bit)

1:0bit 是 10 表示當前條目是段頁 3:2bit是   00表示無快取 4bit是向後相容 最好為1 由於section是從0執行到4095的，並且option是0X12 所以執行完畢後，0-4095頁表項 每個頁表項就是 0XC00 | 0X12 | SECTION<<20

0x0000c12 0x0010c12 0x0020c12 0x0030c12 0x0040c12...... 0xFFE0c12 0xFFF0c12

一共4096項

設定完畢以後。又呼叫dram_bank_mmu_setup這次主要是將有效的記憶體設定為DCACHE_WRITEBACK

前面我們設定頁表的時候，一共設定了4GB大小的記憶體空間，但是這其中很多是無效或者其他IO空間。

比如樹莓派一共有512M記憶體，除去 64MB大小的GPU空間，那麼剩下448MB的記憶體，因此將這448M空間設定為DCACHE_WRITEBACK。

隨後直接開啟了MMU，這樣就進入了虛擬地址空間，因為實體地址和虛擬地址是一一對應的，因此不需要考慮程式碼重定位的問題。

對於1M段mmu 虛擬地址到實體地址的轉換。

1. 虛擬地址的[31:20]位存放一級頁表的入口index，[19:0]位存放段偏移；

2. 從TTBR（translation table base register，協處理器CP15中的一個暫存器，用於存放一級頁表的基址）暫存器中獲取一級頁表的基址；

3. 一級頁表基址+ VA[31:20] = 該虛擬地址對應的頁表描述符的入口地址；

4. 頁表描述符的[31:20]位為該虛擬地址對應的物理段基址；

5. 物理段基址+ VA[19:0]段偏移= 實體地址

比如當前的虛擬地址是 0X123ABCDE。

1 那麼0X123就是一級頁表的索引 ABCDE就是段內的偏移

2  取得c2暫存器，一級頁表的地址0XA0000000。

3 一級頁表的地址0XA0000000+VA[31：20]（0X123）=0XA0000123(實體地址)

4 0XA0000ABC實體地址中得到 關於該段的四位元組描述 0X1230C12。 得到頁表描述的[31:20]為0X123

5 物理段基地址+va[19:0]偏移 得到真實訪問的實體地址 0X123+0XABCDEF得到最終的實體地址 0X123ABCDEF

實際上 虛擬地址和實體地址 是一樣的。

那既然虛擬地址和實體地址是一樣的，為什麼又要開啟MMU多此一舉呢？我認為可能是為了使用DCACHE和ICACHE功能，這樣能夠加速UBOOT的啟動和一些執行。

對於多級頁表，道理是差不多的。

在UBOOT裡面由於是一對一對映，所以就和訪問實體地址是一樣的。比如有一些IO地址，只需要直接訪問就可以了。

所以UBOOT裡面直接操作串列埠輸出是沒有問題的。