uboot step 11 內(nèi)存一下子變大了 ----MMU的配置與使用

uboot step 11 內(nèi)存一下子變大了 ----MMU的配置與使用

本文結(jié)構(gòu)如下：

  • MMU 介紹

  • MMU 相關(guān)寄存器

  • MMU 內(nèi)存訪問(wèn)權(quán)限控制

  • MMU 使能

  • MMU 頁(yè)表描述

    • 一級(jí)頁(yè)表描述符地址
    • 一級(jí)頁(yè)表描述符格式
    • 二級(jí)頁(yè)表描述符格式
    • 虛擬地址到物理地址轉(zhuǎn)化 （重要）
      • 1M段式
      • 16M段式
      • 64KB大頁(yè)
      • 4KB小頁(yè)

  • 代碼實(shí)現(xiàn):使用虛擬地址去控制LED的例子

  • 參考
    http://www.it165.net/embed/html/201408/2633.html
    http://comm.chinaaet.com/adi/blogdetail/40052.html

在前面初始化的過(guò)程中，由于MMU與Cache會(huì)影響我們進(jìn)行初始化的工作，因此關(guān)閉了MMU與Cache，在那篇文章中已經(jīng)說(shuō)過(guò)了MMU的作用，這里再重新說(shuō)下：

  • 1.完成虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換
  • 2.對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行控制

首先還是先來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)下相關(guān)與MMU相關(guān)的寄存器，先有個(gè)大概印象，后面用到了再去詳細(xì)的看：


mmu3.png
名稱 描述 簡(jiǎn)寫
Translation Table Base Register 0 保存一級(jí)轉(zhuǎn)換表的物理地址 TTBR0
Translation Table Base Register 1 保存一級(jí)轉(zhuǎn)換表的物理地址 TTBR1
Translation Table Base Control Register 一級(jí)轉(zhuǎn)換表控制相關(guān) TTBCR
Domain Access Control Register 域訪問(wèn)權(quán)限控制
C1 Control Register MMU和cache使能

MMU使能

mmu enable.png
  • 1.編程所有相關(guān)的CP15寄存器正確的值
  • 2.編程建立所要求的一級(jí)頁(yè)表，二級(jí)頁(yè)表
  • 3.關(guān)閉I-cache
  • 4.使能MMU

MMU 內(nèi)存訪問(wèn)權(quán)限控制

  • Domains 域控制
    一個(gè)域被聯(lián)系到一些內(nèi)存區(qū)域，在頁(yè)表描述符中有個(gè)Domain域來(lái)標(biāo)識(shí)此區(qū)域內(nèi)存屬于哪一個(gè)域Domian來(lái)控制，ARM1176 支持16個(gè)Domains，域訪問(wèn)權(quán)限控制是由C3來(lái)設(shè)定的，如下圖：


    c3.png

    每個(gè)域由兩位來(lái)控制，32位寄存器，總共16個(gè)域

    • 00 無(wú)權(quán)限，任何訪問(wèn)都會(huì)產(chǎn)生domain fault
    • 01 Client 檢查TLB頁(yè)表描述符的權(quán)限位是否允許訪問(wèn)
    • 10 保留，產(chǎn)生domain fault
    • 11 Manager 不檢查訪問(wèn)權(quán)限，不會(huì)產(chǎn)生權(quán)限錯(cuò)誤

  • 訪問(wèn)權(quán)限控制
    在域控制中，提到會(huì)檢查TLB頁(yè)表描述符的權(quán)限位，這個(gè)權(quán)限位就是APX，AP位,在頁(yè)表描述符中有這幾個(gè)域


    ap.png

  • 可執(zhí)行區(qū)域XN位


    XN.png
    • 如果含有可執(zhí)行區(qū)域，XN=0
    • XN=1時(shí)，在此內(nèi)存區(qū)域任何試圖去執(zhí)行指令的行為會(huì)產(chǎn)生權(quán)限錯(cuò)誤

MMU 頁(yè)表描述

為了支持段和頁(yè)的映射方式，MMU使用兩級(jí)頁(yè)表描述符，一級(jí)頁(yè)表描述符決定訪問(wèn)的是一個(gè)分段還是一個(gè)分頁(yè)式的表，如果訪問(wèn)的是一個(gè)分頁(yè)式的頁(yè)表，處理器MMU決定頁(yè)表類型是大頁(yè)還是小頁(yè)并找到二級(jí)頁(yè)表。

一級(jí)頁(yè)表描述符地址

ARM1176 包含 兩個(gè)轉(zhuǎn)換表基地址寄存器TTBR0和TTBR1，一個(gè)轉(zhuǎn)換表基地址控制寄存器，當(dāng)一個(gè)TLB未命中時(shí)，虛擬地址最高位決定使用的基地址寄存器是哪一個(gè)，采用兩個(gè)轉(zhuǎn)換表基地址期望去減少OS上下文切換的花費(fèi)，每個(gè)獨(dú)立的任務(wù)或進(jìn)程，有他自己的頁(yè)表而不用消耗大量?jī)?nèi)存。整個(gè)虛擬內(nèi)存空間被分為兩個(gè)部分，用戶空間和內(nèi)核空間

 0x0 -> 1<<(32-N) that TTBR0 controls
  1<<(32-N) -> 4GB that TTBR1 controls.

N的值在TTBCR寄存器中進(jìn)行設(shè)定,N的大小決定了內(nèi)核空間和用戶空間的分界線,當(dāng)N=0時(shí)，表示只使用了TTBR0寄存器


N1.png

n2.png
一級(jí)頁(yè)表描述符格式分析
mmu1.png

如上圖所示:

  • bit[1:0]: 映射類型，分段式還是分頁(yè)式。
    • 00 忽略
    • 11 無(wú)效，返回Translation fault
    • 10 分段式
    • 01 分頁(yè)式
  • nG ： 0 轉(zhuǎn)換表被標(biāo)記為全局的； 1 轉(zhuǎn)換表屬于特定進(jìn)程
  • S : 共享位，0 非共享; 1 共享內(nèi)存
  • XN： 0 包含可執(zhí)行代碼; 1 不包含可執(zhí)行代碼
  • APX，AP位: 權(quán)限訪問(wèn)控制位
  • Doman : 域標(biāo)識(shí)，屬于哪個(gè)域
  • P： ECC校驗(yàn)
  • TEX,C,B: 此區(qū)域是否采用緩沖buffer，cache，還是直接訪問(wèn)，一般外設(shè)采用無(wú)緩沖，內(nèi)存采用緩沖方式（個(gè)人理解）
  • NS：No-Secure 屬性
二級(jí)頁(yè)表描述符格式分析
mmu2.png

如上圖所示，和一級(jí)頁(yè)表描述符格式相似，相應(yīng)的位的功能是一樣的。不同的是最后兩位代表了兩種不同的分頁(yè)類型。

  • bit[1:0] : 01 時(shí)，采用粗粒度大頁(yè)64K進(jìn)行映射 1X時(shí)，采用?。?xì)）頁(yè)4K進(jìn)行映射

虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)化

MMU對(duì)于剛接觸的人可能會(huì)感覺(jué)到有些不知所措，因?yàn)樗心敲炊嘞嚓P(guān)的寄存器，還有什么TLB，一級(jí)頁(yè)表，二級(jí)頁(yè)表，粗細(xì)粒度，等等，完全一個(gè)大寫的懵，認(rèn)為MMU的使用是個(gè)很難的過(guò)程，當(dāng)你從了解地址轉(zhuǎn)化流程開(kāi)始入手學(xué)習(xí)，慢慢了解了之后，便會(huì)覺(jué)得其實(shí)還是蠻簡(jiǎn)單的，下面來(lái)看下S3c6410中MMU的地址轉(zhuǎn)化流程：

  • TLB：Translation Lookaside Buffer，可以稱為快表，當(dāng)要進(jìn)行虛擬地址到物理地址轉(zhuǎn)化的時(shí)候，MMU便會(huì)去查詢這個(gè)表來(lái)確定虛擬地址所對(duì)應(yīng)的物理地址是多少，而這個(gè)表也被我們保存在了內(nèi)存的某個(gè)地址，這個(gè)地址稱為轉(zhuǎn)換表基地址，我們需要將這個(gè)基地址寫到轉(zhuǎn)換表基地址寄存器中。

下面分四種情況對(duì)映射轉(zhuǎn)化過(guò)程作下說(shuō)明：

  • 分段式映射，大小1M
  • 分段式映射，大小16M
  • 分頁(yè)式映射，大小64KB 粗頁(yè)
  • 分頁(yè)式映射，大小4KB 細(xì)頁(yè)
1M分段式映射
1M.png
  • 頁(yè)表基地址（TTBRx寄存器中）18bits[31:14]+虛擬地址12bits[31:20] +2[00] 構(gòu)成了一級(jí)頁(yè)表描述符的地址
  • 取得了一級(jí)頁(yè)表描述符的地址，訪問(wèn)這個(gè)地址從中可以得到真實(shí)的物理段基地址[31:20]
  • 將得到的物理段基地址[31:20]加上虛擬地址中的[19:0]位偏移地址構(gòu)成了真正的物理地址
    每個(gè)虛擬地址可以索引 2^12 個(gè)一級(jí)描述符地址，每個(gè)一級(jí)描述符可以包含 2^20 個(gè)物理地址，總共可以索引4G空間
16M分段映射
16M.png

與1M的段映射相似，只是有些地址線的范圍發(fā)生了改變，另外一級(jí)描述符的第18位為1表示16M的段映射，0表示1M段映射

64KB分頁(yè)映射
64KB.png
  • 頁(yè)表基地址+虛擬地址的[31:20]位得到了一級(jí)描述符的地址
  • 一級(jí)描述符的[31:10]位為二級(jí)描述符的基地址
  • 二級(jí)描述符的基地址+虛擬地址的[19:16]位，最后幾位補(bǔ)0構(gòu)成了二級(jí)頁(yè)表描述符的地址
  • 二級(jí)頁(yè)表描述符的第[31:16]位為物理基地址+虛擬地址的[15:0]頁(yè)內(nèi)偏移地址構(gòu)成了真正的物理地址
    注:上圖映射是從內(nèi)核手冊(cè)中截取的，有些錯(cuò)誤，二級(jí)頁(yè)表描述符的Second-level tabel index 應(yīng)該為96位，50位應(yīng)為0
4KB分頁(yè)映射
4kb.png
  • 頁(yè)表基地址+虛擬地址的[31:20]位得到了一級(jí)描述符的地址
  • 一級(jí)描述符的[31:10]位為二級(jí)描述符的基地址
  • 二級(jí)描述符的基地址+虛擬地址的[19:12]位，最后幾位補(bǔ)0構(gòu)成了二級(jí)頁(yè)表描述符的地址
  • 二級(jí)頁(yè)表描述符的第[31:12]位為物理基地址+虛擬地址的[11:0]頁(yè)內(nèi)偏移地址構(gòu)成了真正的物理地址

代碼實(shí)現(xiàn)-控制led

#define GPKCON (volatile unsigned long*)0xA0008800
#define GPKDAT (volatile unsigned long*)0xA0008808


/* 
* 用于段描述符的一些宏定義
 */ 
#define MMU_FULL_ACCESS     (3 << 10)   // 訪問(wèn)權(quán)限  AP
#define MMU_DOMAIN          (0 << 5)    // 屬于哪個(gè)域 Domain
#define MMU_SPECIAL         (1 << 4)    // 必須是1  XN 
#define MMU_CACHEABLE       (1 << 3)    // cacheable C
#define MMU_BUFFERABLE      (1 << 2)    // bufferable B
#define MMU_SECTION         (2)         // 表示這是段描述符 10
#define MMU_SECDESC         (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | MMU_SECTION)
#define MMU_SECDESC_WB      (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | MMU_CACHEABLE | MMU_BUFFERABLE | MMU_SECTION)


void create_page_table(void)
{
    unsigned long *ttb = (unsigned long *)0x50000000;
    unsigned long vaddr, paddr;

    vaddr = 0xA0000000;
    paddr = 0x7f000000;
    *(ttb + (vaddr >> 20)) = (paddr & 0xFFF00000) | MMU_SECDESC;  //將虛擬地址A000映射到led所對(duì)應(yīng)的物理地址區(qū)間

    vaddr = 0x50000000;
    paddr = 0x50000000;
    while (vaddr < 0x54000000)//64M的區(qū)間地址虛擬地址與物理地址映射相同， 或者說(shuō)相當(dāng)于沒(méi)有進(jìn)行地址轉(zhuǎn)化
    {
        *(ttb + (vaddr >> 20)) = (paddr & 0xFFF00000) | MMU_SECDESC_WB;
        vaddr += 0x100000;
        paddr += 0x100000;
    }

}


void mmu_init()
{
   __asm__(
    
    /*設(shè)置TTB Base addr*/
    "ldr    r0, =0x50000000\n"                  
    "mcr    p15, 0, r0, c2, c0, 0\n"    
    
    /*不進(jìn)行權(quán)限檢查 Domain*/
    "mvn    r0, #0\n"                   
    "mcr    p15, 0, r0, c3, c0, 0\n"    
    
    
   /*使能MMU*/
    "mrc    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    
    "orr    r0, r0, #0x0001\n"          
    "mcr    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    
    : 
    : 
  );
}


int main()
{
    create_page_table();
    mmu_init();

    *(GPKCON) = 0x11110000;
    *(GPKDAT) = 0xa0;

    return 0;    
}

此去經(jīng)年
zhaiyk@sina.cn
August 10, 2016

最后編輯于 ：
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