[ARM笔记]内存管理单元地址变换过程

1. 地址的分类
以前的程序很小,可以全部装入内存中运行,随着技术的发展,出现了如下两种情况:
1)有的程序很大,它要求的内存空间超过了内存总容量,不能一次性装入内存中;
2)多任务系统中有很多程序需要同时运行,它们要求的内存空间超过了内存总容量,不能把所有的程序全部装入内存中。
实际上，一个程序在运行前，没有必要全部装入内存，而仅需要将那些当前要运行的部分先装入内存，其余部分在用到的时候再从磁盘调入，而当内存耗光时，再将暂时不用的部分调出到磁盘。这使得一个大程序可以在较小的内存空间中运行，也使得内存中可以同时装入更多的程序并发执行，从用户的角度看，该系统所具有的内存容量比实际的内存容量大得多，人们把这样的存储器称为虚拟存储器。
虚拟存储器从逻辑上对内存容量进行了扩充，用户看到的大容量只是一种感觉，是虚的。在32位的CPU系统中，这个虚拟内存的地址范围是0~0xffff_ffff，我们把这个地址范围称为虚拟地址空间，其中的某个地址称为虚拟地址。与虚拟地址空间、虚拟地址对应的是物理地址空间、物理地址，它们对应实际的内存。
虚拟地址最张需要转换为物理地址才能读写实际的数据，这通过将虚拟地址空间、物理地址空间划分为同样大小的一块块小空间（称为段或页），然后为这两类小空间建立映射关系。由于虚拟地址空间远大于物理空间，有可能多块虚拟地址空间映射到同一块物理地址空间，或者有些虚拟地址空间没有映射到具体的物理地址空间上去（可以在使用到时再映射）。ARM CPU的地址转换过程涉及到3个概念：虚拟地址（VA，Virtual Address）、变换后的虚拟地址（MVA，Modified Virtual Address）、物理地址（PA，Physical Address）。
没启动MMU时，CPU核、cache、MMU、外设等所有部件使用的都是物理地址。
启动MMU后，CPU核对外发出虚拟地址VA；VA被转换为MVA供cache、MMU使用，在这里MVA被转换为PA；最后使用PA读写实际设备（S3C2410/S3C2440内部寄存器或外接设备）：
1）CPU核看到的、用到的都是虚拟地址VA，至于VA如何最终落实到物理地址PA上，CPU核是不理会的。
2）而cache和MMU也是看不到VA的，它们利用MVA转换得到的PA。
3）实际的设备看不到VA、MVA，读写它们时使用的是物理地址PA。
MVA是除CPU核外的其他部分看见的虚拟地址。
如果VA<32M，需要使用进程标识号PID（通过读CP15的C13来获得）来转换为MVA。VA与MVA的转换方法如下：
if (VA<32M) then
MVA=VA | (PID<<25) //VA<32M
else
MVA=VA //VA>=32M

利用PID生成MVA的目的是为了减少切换进程时的代价：不使用MVA而直接使用VA的话，当两个进程所用的虚拟地址空间（VA）有重叠时，在切换进程时为了把重叠的VA映射到不到的PA上去，需要重建页表、使无效caches和TLBS等，代价非常大。使用MVA后，进程切换就省事多了；假设两个进程1、2运行的VA都是0~(32M-1)，但是它们的MVA并不重叠，分别是0x0200_0000~0x03ff_ffff、0x0400_0000~0x05ff_ffff，这样就不必进行重建页表等工作了。

2. 虚拟地址到物理地址的转换过程
将一个虚拟地址转换为一个物理地址，一般有两种方法：用一个确定的数学公式进行转换或用表格存储虚拟地址对应的物理地址。这类表格称为页表(Page table)，页表由一个个条目(Entry)组成；每个条目存储了一段虚拟地址对应的物理地址及其访问权限，或者下一级页表的地址。
在ARM CPU中使用第二种方法。S3C2410/S3C2440最多会用到两级页表：以段(Section,1MB)的方式进行转换时只用到一级页表，以页(Page)的方式进行转换时用到两级页表。页的大小有3种：大页(64KB)、小页(4KB)、极小页(1KB)。条目也被称为“描述符”(Descriptor)，有：段描述符、大页描述符、小页描述符、极小页描述符——它们保存段、大页、小页或极小页的起始物理地址；粗页表描述符、细页表描述符——它们保存二级页表的物理地址。
大概的转换过程如下：
1）根据给定的虚拟地址找到一级页表中的条目；
2）如果此描述符是段描述符，则返回物理地址，转换结束；
3）否则，如果此描述符是二级页表描述符，继续利用虚拟地址在此二级页表中找到下一个条目；
4）如果这第二个条目是页描述符，则返回物理地址，转换结束；
5）其他情况出错。