内存管理（硬件编程）

1.MMU是什么？

在早期的CPU(比如8086)，或者现在使用的MCU(单片机)，程序是直接运行在物理内存(SDRAM或者NOR Flash)上的。当程序运行时，通过总线访问的数据、读写地址都是物理地址。例如，程序计数器PC中的值是预取指令所在的物理存储器的地址值。

冯·诺依曼计算机模型

这种方法易于硬件电路设计，程序处理逻辑简单，但不适用于复杂系统，尤其是多任务操作系统。首先，我们来看看原方法的不足和缺陷。

物理内存不足。例如，一个程序需要64K的内存才能运行，但机器只有32K的物理内存。

程序的运行地址不确定。加载到内存中的同一程序的地址每次都可能不同。

内存使用率低。要运行一个程序，你需要在运行它之前把整个程序装入内存。

不支持多任务处理。有一个问题是进程间地址空没有隔离，或者一个任务失败，可能导致整个系统宕机。

然而，随着计算机科学技术的发展，所要解决的问题越来越复杂，单任务批处理已经不能满足需求。此外，应用程序所需的内存量也在增加。而且随着多任务的需求，这种技术架构已经不能满足需求。在这样的背景下，MMU应运而生，可见任何技术的发展都必须是需求驱动的。MMU(内存管理单元)主要用于管理虚拟内存和物理内存的控制线，同时还负责虚拟地址到物理地址的映射，用硬件机制提供内存访问授权，多任务多进程操作系统。

如果处理器使能MMU，CPU执行单元发送的内存地址会被MMU截获。CPU到MMU的地址称为虚拟地址(VA)，MMU将这个地址翻译成另一个地址发送到CPU芯片的外部地址引脚，也就是将VA映射到PA，如下图所示:

MMU硬件电路的功能

二、MMU的具体功能

1.页表的映射和转换

MMU的主要功能是将虚拟地址转换成物理地址。但是每一个“映射”都要解决两个问题:映射的最小单位(粒度)和映射的规则。

A.虚拟地址空被划分为一个称为page的单元，同时对应的物理地址空也被划分。单位是页框，页面和页框的大小必须相同。映射的最小粒度是从单个虚拟页面到物理页面，页面大小通常为4K，即一次至少要将一个4K VA页面块映射到一个4K PA页面块(从0开始，用4K对齐方式划分页面块)，页内偏移量为常数。

例如，VA的页面0x30004000~0x30004fff映射到PA的页面0x00008000~0x00008fff。CPU执行单元访问虚拟地址0x30004008时，实际访问的物理地址是0x00008008(0x30004008和0x00008008位于虚拟和虚拟地址/[/]以页为最小单位意味着VA中的一页不能分成几个小块分别映射到不同的PA，VA中属于不同页的块也不能映射到PA中一页的不同部分，所以整个页到页的映射是必要的。

B.MMU软件配置的核心是页表，页表描述了MMU的映射规则，即虚拟内存的哪些页映射到物理内存的哪些页框。页表由表示映射规则的记录组成，每个记录称为页表条目(PTE)，整个页表存储在片外存储器中。MMU通过查找页表来确定VA应该映射到哪个PA，以及是否有权限映射。

c、如果MMU每次地址翻译时都在位于外存的页表中查找PTE，翻译速度会大大降低，于是出现了TLB。TLB(Translation look aside Buffers)是翻译快速表，也简称为快速表。可以理解为MMU中存储页表的专用缓存，保存最近使用的PTE甚至所有页表。收到虚拟地址后，MMU首先在TLB查找它。如果它找到对应于VA的PTE，它将直接转换它。如果它找不到它，它将在外部存储器页表中查找它，并在TLB中替换它。TLB属于片上SRAM，存取速度快。通过在TLB缓存PTE，MMU可以节省访问外部存储器页表的时间，从而加快虚拟-真实地址转换。TLB的工作方式类似于CPU缓存，只是TLB专用于缓存MMU的页表。

地址转换的整个过程

2.MMU的存储保护功能。既然所有发送到内存的地址信号都要经过MMU的处理，那这个特意插入的翻译层让它只做地址翻译岂不是浪费了？很明显，它具有更多限制虚拟地址访问的能力(就像路由器在转发网络数据包的同时可以过滤各种非法访问)，比如内存保护。可以在PTE条目中保留一些位来设置访问权限的属性，例如禁止访问、可读、可写和可执行。设置后，当CPU访问一个VA时，MMU在页表中找到对应的PTE，将指令的权限要求与PTE中的限制条件进行比较，符合要求的将VA转换为PA；否则，不允许访问，并生成异常。

三。操作系统对内存管理单元的管理

实际上，MMU是为了满足操作系统日益复杂的内存管理而产生的。与奥斯穆的关系简述如下:

1.系统初始化代码会在内存中生成页表，然后将页表地址设置到MMU对应的寄存器中，这样MMU就可以知道页表在物理内存中的什么位置，以便需要的时候查找。之后，MMU由特殊指令启动，该指令用作边界。之后程序中所有的内存地址都变成虚拟地址，MMU硬件开始自动完成查表和虚实地址转换。

2.在操作系统初始化的后期，创建第一个用户进程。在这个过程中，还需要创建一个页表，并将其地址赋给进程结构中的指针成员变量。也就是说，每个进程必须有自己的页表。3.当用户创建一个新进程时，子进程复制父进程的一个页表，然后页表的内容随着程序的运行逐渐更新和改变。

4.系统处理内存寻址，内存寻址由操作系统管理和维护，以确保正常进程。

存储器寻址概述图

上图显示了内存管理的硬件结构和处理流程:

a、cpu发起寻址请求，由MMU处理；

b、如果在TLB缓冲区中找到MMU，直接使用映射后的物理地址从主存中读取；如果没有找到，则需要从当前进程的页表中查询，如果找到，则返回更新TLB；；

C.如果页表中没有虚拟地址，当发现虚拟地址还没有分配给物理地址空时，就会触发缺页中断。此时，这个虚拟地址对应的磁盘文件的内容会被检查，加载到内存中，并在页表中建立映射关系，这样程序才能继续执行。

了解了地址翻译的过程，VA到PA的映射过程就清晰了:MMU先在TLB查找VA，如果找不到匹配的PTE条目，就在TLB查找外部页表替换；根据PTE条目中访问权限的限制，检查该VA指令是否合规，如果不合规，则不继续，并抛出异常exception；满足要求后，根据VA的地址段查询页表，保持偏移量(广义)不变，合并物理地址，发送出去。