嵌入式学习-MMU

原文：https://blog.csdn.net/u011003120/article/details/51812188

参考：

https://blog.csdn.net/groundhappy/article/details/54889677

MMU 存储器管理单元，在之前因为是操作物理地址，不需要MMU,因此是处于关闭状态的，而这次则是打开MMU并且使用MMU.

一、MMU的作用

• 1.将虚拟地址转化为物理地址
• 2.进行访问权限的管理

看上图可以得知，有三个运行的程序，他们的虚拟地址都为0x400000,但是若要使用物理地址，他们的物理地址不能够相同，因此就需要一个机制，使他们的相同的虚拟地址对应不同的物理地址，这个机制就是上图中的Page tables（即页表），虚拟地址通过查表的方式对应到不同的物理地址上。

二、地址转化
首先需要知道的是，以段(Section，1M)的方式进行转换时只用到一级页表，而页(Page)的方式进行转换时用到两级页表，有粗也转换和细页转换两种，页的大小有3种：大页(64KB)、小页(4KB)和极小页（1KB）。

1.地址转化总体分析

整个地址转换的过程分为了两步，为一级转换和二级转换。
虚拟地址的[31:20]位作为一个表的索引，表的名字为translation table，即TTB,如果表的后两位为00，则为无效的转换，如上图，如果后两位为01，则表示第二级转换为粗页方式转换，如果为10，则表示接下来会按照段的方式转换，若是11，则第二级为细页方式转换。

2.如何找到一级页表
要想找到一级页表，首先需要知道的是一级页表的地址，即TTB,它是保存在CP15的C2寄存器中，

看上面偷来的图^_^,一共有4096个转换描述符，即虚拟地址的[31:20]一共12位的最大寻址空间,虚拟地址的[31:20]再加上TTB,就是相对应的描述符，这样就找到了虚拟地址对应的描述符。

3.段式转化简单分析
还是上面的图，找到了虚拟地址相对应的地址描述符之后，描述符的[31:20]位便是物理地址的[31:20]位，虚拟地址的[19:0]位便是物理地址的[19:0]位，
至于页的转换方式，则不再细讲。

4.TTB
MMU要自动进行虚拟地址到物理地址的转化，首先要找到一级页表，而一级页表的基地址(TTB：translation table base)则是保存在CP15的C2寄存器中。因此，当程序员创建好相应的页表后，需要将页表基地址写入该寄存器。
把TTB 的值写入CP15 C2寄存器中后，MMU工作的时候，会从C2中取出TTB的值，因此MMU就会知道这张表的基地址，MMU就会工作了。
这张表是放在内存里面的，
这张表是工程师事先建立好的

三MMU的配置与使用
在本次课程中使用段式转化的方式，因此需要做以下几个工作：
建立一级页表，写入TTB,打开MMU.

本实验是通过点亮LED来完成的，LED的寄存器地址是

#define GPMCON (volatile unsigned long *)0x7F008820
#define GPMDAT (volatile unsigned long *)0x7F008824 

因此，本实验的目的就是将LED的物理地址映射为虚拟地址

#define GPMCON (volatile unsigned long *)0xA0008820
#define GPMDAT (volatile unsigned long *)0xA0008824 

1.建立一个一级页表

 

 如上图，对描述符的每一个寄存器进行讲解。

[1:0]   最后两位固定为10 即使用段式的方式
[2]      B 是否使用write buffer
[3]      C 是否使用CACHE
[4]      XN设置为1
[8:5]   Domain，用来说明该段是属于16个域中的哪一个域，
[9]      P表示段区间有ECC，ARM11不支持
[11:10]   AP：访问权限，这个配合域，说明该段地址的访问权限。
[14:12]   TEX   略
[15]    APX 略
[16]    S  表示是否共享
[17]    nG 略
[18]    0 
[19]   nS 略

各个寄存器的值如下：

#define MMU_FULL_ACCESS     (3 << 10)   /* 访问权限 [11:10]*/
#define MMU_DOMAIN          (0 << 5)    /* 属于哪个域 [8:5]*/
#define MMU_SPECIAL         (1 << 4)    /* 必须是1 [4]*/
#define MMU_CACHEABLE       (1 << 3)    /* cacheable  [3]*/
#define MMU_BUFFERABLE      (1 << 2)    /* bufferable [2]*/
#define MMU_SECTION         (2)         /* 表示这是段描述符  [1:0]*/
#define MMU_SECDESC         (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | MMU_SECTION)

建立页表

void creat_page_table()
{
    unsigned long *ttb = (unsigned long *)0x50000000; //表在内存的基地址处
    unsigned long vaddr; //虚拟地址
    unsigned long paddr; //物理地址

    vaddr = 0xa0000000; //虚拟地址
    paddr = 0x7F000000;
    *(ttb + (vaddr >> 20)) = (paddr&0xfff00000) | MMU_SECDESC;
    //*(ttb + (vaddr >> 20))  为表项的位置 
    //(paddr&0xfff00000) 获取高12位数据
    //MMU_SECDESC  访问led的gpio很简单，就不需要cache和buffer

}

*(ttb + (vaddr >> 20)) 即为页表的描述符，就是上面所说的 TTB + 虚拟地址[31:20]位，建立了上述的页表后，访问虚拟地址0xA0008824 通过页表，即可找到物理地址0x7F008824。

2设置TTB和使能mmu
设置TTB,其实就是将基地址写入CP15的C2寄存器中，因此使用汇编将其写入。
设置访问权限，就是将域的权限设置为0B11,即不进行权限检查，主要是设置CP15的C3寄存器
使能MMU,即打开MMU

void mmu_init()
{
    __asm__(

    /*设置TTB*/
    "ldr    r0, =0x50000000\n"                  
    "mcr    p15, 0, r0, c2, c0, 0\n"    

    /*不进行权限检查*/
    "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"    
    : 
    : 
  );
}

3.内存的映射
关于内存映射这一点不太清楚，大致的理解就是，将虚拟地址和物理地址的 0x50000000 - 0x540000000 这一段进行映射，这样直接操作虚拟地址就相当于操作物理地址。

    //映射内存
    vaddr = 0x50000000;
    paddr = 0x50000000;  //其虚拟地址和物理地址是一致的
    while (vaddr < 0x54000000)  //映射64mb
    {
        *(ttb + (vaddr >> 20)) = (paddr & 0xFFF00000) | MMU_SECDESC_WB;
        vaddr += 0x100000;
        paddr += 0x100000;
    }   

全部代码

/********************************************
*file name: main.c
*author   : stone
*date     : 2016.6.30
*function : MMU进行相关的操作
*********************************************/
#define GPMCON (volatile unsigned long *)0xA0008820  //虚拟地址
#define GPMDAT (volatile unsigned long *)0xA0008824 

#define MMU_FULL_ACCESS     (3 << 10)   /* 访问权限 [11:10]*/
#define MMU_DOMAIN          (0 << 5)    /* 属于哪个域 [8:5]*/
#define MMU_SPECIAL         (1 << 4)    /* 必须是1 [4]*/
#define MMU_CACHEABLE       (1 << 3)    /* cacheable  [3]*/
#define MMU_BUFFERABLE      (1 << 2)    /* bufferable [2]*/
#define MMU_SECTION         (2)         /* 表示这是段描述符  [1:0]*/
#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 creat_page_table()
{
    unsigned long *ttb = (unsigned long *)0x50000000; //表在内存的基地址处
    unsigned long vaddr; //虚拟地址
    unsigned long paddr; //物理地址

    vaddr = 0xa0000000; //虚拟地址
    paddr = 0x7F000000;
    *(ttb + (vaddr >> 20)) = (paddr&0xfff00000) | MMU_SECDESC;
    //*(ttb + (vaddr >> 20))  为表项的位置 
    //(paddr&0xfff00000) 获取高12位数据
    //MMU_SECDESC  访问led的gpio很简单，就不需要cache和buffer

    //映射内存
    vaddr = 0x50000000;
    paddr = 0x50000000;  //其虚拟地址和物理地址是一致的
    while (vaddr < 0x54000000)  //映射64mb
    {
        *(ttb + (vaddr >> 20)) = (paddr & 0xFFF00000) | MMU_SECDESC_WB;
        vaddr += 0x100000;
        paddr += 0x100000;
    }   

}

void mmu_init()
{
    __asm__(

    /*设置TTB*/
    "ldr    r0, =0x50000000\n"     /* 页表的基地址   */         
    "mcr    p15, 0, r0, c2, c0, 0\n"    

    /*不进行权限检查*//*cp15 c3 domain 控制权限*/
    "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 gboot_main()
{
    //*(GPMCON) = 0x1111;
    //*(GPMDAT) = 0x00;


    //1.建立页表
    creat_page_table();

    //2.写入TTB



    //3.使能
    mmu_init(); 

    *(GPMCON) = 0x1111;
    *(GPMDAT) = 0x00;   

    return 0;

}