1， 介紹

前面的文章《一文搞懂Cortex-A77（ARMv8架構(gòu)）工作原理》，《一文搞懂cpu cache工作原理》介紹CPU、cache的組成與工作原理，這篇文章將介紹CPU與cache之間的MMU的組成與工作原理。通過(guò)本文可以了解CPU訪問(wèn)的虛擬地址是怎么轉(zhuǎn)換成物理地址，然后通過(guò)物理地址在cache、主存或者EMMC中獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

早期的內(nèi)存是比較小的，一般是幾十k，不過(guò)相應(yīng)的程序也是比較小的，這時(shí)程序可以直接加載到內(nèi)存中運(yùn)行。后來(lái)為了支持多個(gè)程序的并行，內(nèi)存中出現(xiàn)了固定分區(qū)，在編譯階段將不同程序，劃分在不同的內(nèi)存區(qū)域上。這種方式存在不少問(wèn)題：一是內(nèi)存分區(qū)大小與程序大小要匹配，二是地址空間無(wú)法動(dòng)態(tài)的增長(zhǎng)。于是內(nèi)存動(dòng)態(tài)分區(qū)思想便誕生了，內(nèi)存上線劃出一塊區(qū)域給操作系統(tǒng)，然后剩余的內(nèi)存空間給用戶進(jìn)程使用，這樣用戶程序所使用的內(nèi)存空間，跟隨程序大小及數(shù)目進(jìn)行變動(dòng)。

不論是靜態(tài)分析，還是動(dòng)態(tài)分區(qū)，都存在一些問(wèn)題：進(jìn)程地址空間安全問(wèn)題、內(nèi)存使用效率低。為了能夠讓多程序安全、高效地并行運(yùn)行，物理內(nèi)存中需要存放多個(gè)程序的代碼及數(shù)據(jù)，這時(shí)虛擬內(nèi)存便誕生了。不得不說(shuō)虛擬內(nèi)存是一個(gè)偉大的發(fā)明，一方面它讓每個(gè)程序認(rèn)為自己是獨(dú)自、連續(xù)的使用內(nèi)存，另一方面，每個(gè)程序之間的內(nèi)存形成了安全隔離，避免程序破壞彼此的內(nèi)存。

后來(lái)隨著軟件的快速發(fā)展，一個(gè)程序的大小變得很大，這時(shí)物理內(nèi)存大小跟不上程序大小增加的速度。這樣便不能將整個(gè)程序加載到物理內(nèi)存中，一是物理內(nèi)存沒(méi)有這么大，二是如果將整個(gè)程序加載到內(nèi)存，為了多程序并行，就需要將大量的數(shù)據(jù)及代碼換入、換出，這導(dǎo)致程序運(yùn)行效率低下。

虛擬內(nèi)存并沒(méi)解決高效使用內(nèi)存的問(wèn)題，好在程序運(yùn)行遵循時(shí)間、空間局部性原理，進(jìn)而出現(xiàn)了分頁(yè)機(jī)制。分頁(yè)機(jī)制從根本上解決了高效使用物理內(nèi)存的問(wèn)題。每次只需要將幾頁(yè)的代碼、數(shù)據(jù)從磁盤(pán)中加載到內(nèi)存，程序就能正常運(yùn)行。當(dāng)程序運(yùn)行的過(guò)程中，需要新的代碼、數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生缺頁(yè)異常，這些代碼、數(shù)據(jù)就會(huì)從磁盤(pán)加載到內(nèi)存，然后程序從異常恢復(fù)正常運(yùn)行。

對(duì)于支持虛擬內(nèi)存，分頁(yè)機(jī)制的系統(tǒng)，處理器直接尋址虛擬地址，這個(gè)地址不會(huì)直接發(fā)給內(nèi)存控制器，而是先發(fā)給內(nèi)存管理單元（Memory Manager Unit，MMU）。MMU就是負(fù)責(zé)將虛擬地址轉(zhuǎn)換和翻譯成物理地址的一個(gè)硬件模塊，其實(shí)MMU所做的事，完全可以通過(guò)CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)。為啥還要一個(gè)MMU硬件模塊呢？就是為了提升虛擬地址到物理地址轉(zhuǎn)換的速度，減少轉(zhuǎn)換所消耗的時(shí)間。

MMU包含兩個(gè)模塊TLB（Translation Lookaside Buffer）和TWU（Table Walk Unit）。TLB是一個(gè)高速緩存，用于緩存頁(yè)表轉(zhuǎn)換的結(jié)果，從而縮短頁(yè)表查詢的時(shí)間。TWU是一個(gè)頁(yè)表遍歷模塊，頁(yè)表是由操作系統(tǒng)維護(hù)在物理內(nèi)存中，但是頁(yè)表的遍歷查詢是由TWU完成的，這樣減少對(duì)CPU資源的消耗。

虛擬內(nèi)存及分頁(yè)機(jī)制的出現(xiàn)，解決了進(jìn)程地址空間安全性的問(wèn)題和內(nèi)存使用效率低的問(wèn)題，但是也引入了系統(tǒng)性能變差的問(wèn)題。本來(lái)CPU可以直接通過(guò)訪存執(zhí)行程序，但是現(xiàn)在引入了虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。MMU硬件模塊的出現(xiàn)，就是為了解決這個(gè)性能問(wèn)題。因此，幾G運(yùn)行內(nèi)存的電腦，可以并行運(yùn)行幾十G的多程序，讓你在聽(tīng)歌的同時(shí)，能夠并行處理編輯文檔，下載電影，收發(fā)郵件等。

2， 框架

2.1 內(nèi)存管理體系結(jié)構(gòu)

在SMP（Symmetric Multi Process，對(duì)稱多處理器）系統(tǒng)中，每個(gè)處理器內(nèi)置了MMU模塊，MMU模塊包含了TLB和TWU兩個(gè)子模塊。TLB是一個(gè)高速緩存，用于緩存虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換結(jié)果。頁(yè)表的查詢過(guò)程是由TWU硬件自動(dòng)完成的，但是頁(yè)表的維護(hù)是需要操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，頁(yè)表存放在主存中。

頁(yè)表的查詢是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程，理想情況下，TLB命中，可以從中直接得到虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址。當(dāng)TLB未命中的時(shí)候，MMU才會(huì)通過(guò)TWU查詢頁(yè)表，從而翻譯虛擬地址得到物理地址。得到物理地址后，首先要查詢?cè)撐锢淼刂返膬?nèi)容是否存在于cache中，若cache命中，則直接取出物理地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容返回給處理器。

若cache沒(méi)有命中，會(huì)進(jìn)一步訪問(wèn)主存獲取相應(yīng)的內(nèi)容，然后回寫(xiě)到cache，并返回給處理器。如果沒(méi)能在頁(yè)表中查詢到虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址，則會(huì)觸發(fā)一個(gè)與MMU相關(guān)的缺頁(yè)異常，在異常處理的過(guò)程中，會(huì)將EMMC中相關(guān)的數(shù)據(jù)加載到主存，然后建立相應(yīng)的頁(yè)表，然后將物理地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容返回給cache及處理器。

2.2 MMU相關(guān)的基本概念

（1）虛擬地址相關(guān)基本概念

虛擬內(nèi)存（Virtual Memory,VM）：為每個(gè)進(jìn)程提供了一致的、連續(xù)的、私有的內(nèi)存空間，簡(jiǎn)化了內(nèi)存管理。將主存看成是一個(gè)存儲(chǔ)在磁盤(pán)上的地址空間的高速緩存，當(dāng)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程或者一個(gè)進(jìn)程需要更多的空間時(shí)，主存顯然是不夠用的，這時(shí)需要更大、更便宜的磁盤(pán)保存一部分?jǐn)?shù)據(jù)。

虛擬地址空間（Virtual Address Space,VAS）：每個(gè)進(jìn)程獨(dú)有。

虛擬頁(yè)（Virtual Page,VP）：把虛擬內(nèi)存按照頁(yè)表大小進(jìn)行劃分。

虛擬地址（Virtual Address,VA）：處理器看到的地址。

虛擬頁(yè)號(hào)（Virtual Page Number,VPN）：用于定位頁(yè)表的PTE。

（2）物理地址相關(guān)的基本概念

物理內(nèi)存（Physical Memory,PM）：主存上能夠使用的物理空間。

物理頁(yè)（Physical Page）：把物理內(nèi)存按照頁(yè)表的大小進(jìn)行劃分。

物理地址（Physical Address,PA）：物理內(nèi)存劃分很多塊，通過(guò)物理內(nèi)存進(jìn)行定位。

物理頁(yè)號(hào)（Physical Page Number,PPN）：定位物理內(nèi)存中塊的位置。

（3）頁(yè)表相關(guān)的基本概念

頁(yè)表（Page Tabel）：虛擬地址與物理地址映射表的集合。

頁(yè)表?xiàng)l目（Page Table Entry,PTE）：虛擬地址與獨(dú)立地址具體對(duì)應(yīng)的記錄。

頁(yè)全局目錄（Page Global Directory,PGD）：多級(jí)頁(yè)表中的最高一級(jí)。

頁(yè)上級(jí)目錄（Page Upper Directory,PUD）：多級(jí)頁(yè)表中的次高一級(jí)。

頁(yè)中間目錄（Page Middle Directory,PMD）：多級(jí)頁(yè)表中的一級(jí)。

2.3 頁(yè)命中、缺頁(yè)

（1）頁(yè)命中

a) 處理器要對(duì)虛擬地址VA進(jìn)行訪問(wèn)。 b) MMU的TLB沒(méi)有命中，通過(guò)TWU遍歷主存頁(yè)表中的PTE地址。 c) 主存向MMU返回PTE。 d) MMU通過(guò)PTE映射物理地址，并把它傳給高速緩存或主存。 e) 高速緩存或主存返回物理地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)給處理器。

（2）缺頁(yè)

a) 處理器要對(duì)虛擬地址VA進(jìn)行訪問(wèn)。 b) MMU的TLB沒(méi)有命中，通過(guò)TWU遍歷主存頁(yè)表中的PTE地址。 c) 主存向MMU返回PTE。 d) PTE中有效位是0，MMU觸發(fā)一次異常，CPU相應(yīng)缺頁(yè)異常，運(yùn)行相應(yīng)的處理程序。 e) 缺頁(yè)異常處理程序選出物理內(nèi)存中的犧牲頁(yè)，若這個(gè)頁(yè)面已經(jīng)被修改，將其換出到EMMC。 f) 缺頁(yè)異常處理程序從EMMC中加載新的頁(yè)面，并更新內(nèi)存中頁(yè)表的PTE。 g) 缺頁(yè)異常處理程序返回到原來(lái)的進(jìn)程，再次執(zhí)行導(dǎo)致缺頁(yè)的指令。CPU將引起缺頁(yè)異常的虛擬地址重新發(fā)給MMU。由于虛擬頁(yè)面現(xiàn)在緩存在主從中，主存會(huì)將所請(qǐng)求的地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容返回給cache和處理器。

2.4 多級(jí)頁(yè)表映射過(guò)程

物理頁(yè)面大小一級(jí)地址總線寬度不同，頁(yè)表的級(jí)數(shù)也不同。以AArch64運(yùn)行狀態(tài)，4KB大小物理頁(yè)面，48位地址寬度為例，頁(yè)表映射的查詢過(guò)程如圖：

對(duì)于多任務(wù)操作系統(tǒng)，每個(gè)用戶進(jìn)程都擁有獨(dú)立的進(jìn)程地址空間，也有相應(yīng)的頁(yè)表負(fù)責(zé)虛擬地址到物理地址之間的轉(zhuǎn)換。MMU查詢的過(guò)程中，用戶進(jìn)程的一級(jí)頁(yè)表的基址存放在TTBR0。操作系統(tǒng)的內(nèi)核空間公用一塊地址空間，MMU查詢的過(guò)程中，內(nèi)核空間的一級(jí)頁(yè)表基址存放在TTBR1。

當(dāng)TLB未命中時(shí)，處理器查詢頁(yè)表的過(guò)程如下：

處理器根據(jù)虛擬地址第63位，來(lái)選擇使用TTBR0或者TTBR1。當(dāng)VA[63]為0時(shí)，選擇TTBR0，TTBR中存放著L0頁(yè)表的基址。

處理器以VA[47：39]作為L(zhǎng)0的索引，在L0頁(yè)表中查找頁(yè)表項(xiàng)，L0頁(yè)表有512個(gè)頁(yè)表項(xiàng)。

L0頁(yè)表的頁(yè)表項(xiàng)中存放著L1頁(yè)表的物理基址。處理器以VA[38:30]作為L(zhǎng)1索引，在L1頁(yè)表中找到相應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)，L1頁(yè)表中有512個(gè)頁(yè)表項(xiàng)。

L1頁(yè)表的頁(yè)表項(xiàng)中存放著L2頁(yè)表的物理基址。處理器以VA[29:21]作為L(zhǎng)2索引，在L2頁(yè)表中找到相應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)，L2頁(yè)表中有512個(gè)頁(yè)表項(xiàng)。

L2頁(yè)表的頁(yè)表項(xiàng)中存放著L3頁(yè)表的物理基址。處理器以VA[20:12]作為L(zhǎng)1索引，在L3頁(yè)表中找到相應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)，L3頁(yè)表中有512個(gè)頁(yè)表項(xiàng)。

L3頁(yè)表的頁(yè)表項(xiàng)里，存放著4KB頁(yè)面的物理基址，然后加上VA[11:0]，這樣就構(gòu)成了物理地址，至此處理器完成了一次虛擬地址到物理地址的查詢與翻譯的工作。

審核編輯：劉清