存储器管理单元MMU概述

在ARM系统中，存储器管理单元MMU主要完成以下工作：
●　虚拟存储空间到物理存储空间的映射。在ARM中采用了页式虚拟存储管理。它把虚拟地址空间分成一个个固定大小的块，每一块称为一页，把物理内存的地址空间也分成同样大小的页。页的大小可以分为粗粒度和细粒度两种。MMU就要实现从虚拟地址到物理地址的转换。

●　存储器访问权限的控制。

●　设置虚拟存储空间的缓冲的特性。

页表（Translate Table）是实现上述这些功能的重要手段，它是一个位于内存中的表。表的每一行对应于虚拟存储空间的一个页，该行包含了该虚拟内存页（称为虚页）对应的物理内存页（称为实页）的地址、该页的访问权限和该页的缓冲特性等。这里将页表中这样的一行称为一个地址变换条目（Entry）。

页表存放在内存中，系统通常用一个寄存器来保存页表的基地址。在ARM中，系统控制协处理器CP15的寄存器C2用来保存页表的基地址。

从虚拟地址到物理地址的变换过程其实就是查询页表的过程，由于页表存放在内存中，这个查询过程通常代价很大。而程序在执行过程中具有局部性，因此，对页表中各存储器的访问并不是完全随机的。也就是说，在一段时间内，对页表的访问只是局限在少数几个单元中。根据这一特点，采用一个容量更小（通常为8～16个字）、访问速度和CPU中通用寄存器相当的存储器件来存放当前访问需要的地址变换条目。这个小容量的页表称为快表。快表在英文资料中被称为TLB（Translation Lookaside Buffer）。

当CPU需要访问内存时，先在TLB中查找需要的地址变换条目。如果该条目不存在，CPU从位于内存中的页表中查询，并把相应的结果添加到TLB中。这样，当CPU下一次又需要该地址变换条目时，就可以从TLB中直接得到了，从而使地址变换的速度大大加快。

当内存中的页表内容改变，或者通过修改系统控制协处理器CP15的寄存器C2使用新的页表时，TLB中的内容需要全部清除。MMU提供了相关的硬件支持这种操作。系统控制协处理器CP15的寄存器C8用来控制清除TLB内容的相关操作。

MMU可以将某些地址变换条目锁定（Locked Down）在TLB中，从而使得进行与该地址变换条目相关的地址变换速度保持很快。在MMU中，寄存器C10用于控制TBL内容的锁定。

MMU可以将整个存储空间分为最多16个域（Domain）。每个域对应一定的内存区域，该区域具有相同的访问控制属性。MMU中，寄存器C3用于控制与域相关的属性的配置。

当存储访问失效时，MMU提供了相应的机制用于处理这种情况。在MMU中，寄存器C5和寄存器C6用于支持这些机制。

使能MMU时存储访问过程

当ARM处理器请求存储访问时，首先在TLB中查找虚拟地址。如果系统中数据TLB和指令TLB是分开的，在取指令时，从指令TLB查找相应的虚拟地址，对于其他的内存访问操作，从数据TLB中查找相应的虚拟地址。

如果该虚拟地址对应的地址变换条目不在TLB中，CPU从位于内存中的页表中查询对应于该虚拟地址的地址变换条目，并把相应的结果添加到TLB中。如果TLB已经满了，还需要根据一定的淘汰算法进行替换。这样，当CPU下一次又需要该地址变换条目时，可以从TLB中直接得到，从而使地址变换的速度大大增加。

当得到了需要的地址变换条目后，将进行以下的操作。

（1）得到该虚拟地址对应的物理地址。

（2）根据条目中的C（Cacheable）控制位和B（Bufferable）控制位决定是否缓存该内存访问的结果。

（3）根据存取权限控制位和域访问控制位确定该内存访问是否被允许。如果该内存访问不被允许，CP15向ARM处理器报告存储访问中止。

（4）对于不允许缓存（Uncached）的存储访问，使用步骤（1）中得到的物理地址访问内存。对于允许缓存（Cached）的存储访问，如果Cache命中，则忽略物理地址；如果Cache没有命中，则使用步骤（1）中得到的物理地址访问内存，并把该块数据读取到Cache中。
允许缓存（Cached）的MMU存储访问示意图: