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MMU

时间:10-05-22 栏目:系统技术篇 作者:鲁智森也有文化 评论:3 点击: 3,488 次

现代操作系统普遍采用虚拟内存管理(Virtual Memory Management)机制,这需要处理器中的MMU(Memory Management Unit,内存管理单元)提供支持,本节简要介绍MMU的作用。

首先引入两个概念,虚拟地址和物理地址。如果处理器没有MMU,或者有MMU但没有启用,CPU执行单元发出的内存地址将直接传到芯片引脚上,被内存芯片(以下称为物理内存,以便与虚拟内存区分)接收,这称为物理地址(Physical Address,以下简称PA),如下图所示。

图 1. 物理地址



如果处理器启用了MMU,CPU执行单元发出的内存地址将被MMU截获,从CPU到MMU的地址称为虚拟地址(Virtual Address,以下简称VA),而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上,也就是将VA映射成PA,如下图所示。

图 2 虚拟地址




果是32位处理器,则内地址总线是32位的,与CPU执行单元相连(图中只是示意性地画了4条地址线),而经过MMU转换之后的外地址总线则不一定是32
位的。也就是说,虚拟地址空间和物理地址空间是独立的,32位处理器的虚拟地址空间是4GB,而物理地址空间既可以大于也可以小于4GB。

MMU将VA映射到PA是以页(Page)为
单位的,32位处理器的页尺寸通常是4KB。例如,MMU可以通过一个映射项将VA的一页0xb7001000~0xb7001fff映射到PA的一页
0x2000~0x2fff,如果CPU执行单元要访问虚拟地址0xb7001008,则实际访问到的物理地址是0x2008。物理内存中的页称为物理页
面或者页帧(Page Frame)。虚拟内存的哪个页面映射到物理内存的哪个页帧是通过页表(Page Table)来描述的,页表保存在物理内存中,MMU会查找页表来确定一个VA应该映射到什么PA。

操作系统和MMU是这样配合的:

  1. 操作系统在初始化或分配、释放内存时会执行一些指令在物理内存中填写页表,然后用指令设置MMU,告诉MMU页表在物理内存中的什么位置。

  2. 设置好之后,CPU每次执行访问内存的指令都会自动引发MMU做查表和地址转换操作,地址转换操作由硬件自动完成,不需要用指令控制MMU去做。


们在程序中使用的变量和函数都有各自的地址,程序被编译后,这些地址就成了指令中的地址,指令中的地址被CPU解释执行,就成了CPU执行单元发出的内存
地址,所以在启用MMU的情况下,程序中使用的地址都是虚拟地址,都会引发MMU做查表和地址转换操作。那为什么要设计这么复杂的内存管理机制呢?多了一
层VA到PA的转换到底换来了什么好处?All problems in computer science can be solved by
another level of indirection.还记得这句话吗?多了一层间接必然是为了解决什么问题的,等讲完了必要的预备知识之后,将在第 5 节 “虚拟内存管理”
讨论虚拟内存管理机制的作用。

MMU除了做地址转换之外,还提供内存保护机制。各种体系结构都有用户模式(User Mode)和特权模式(Privileged Mode)之
分,操作系统可以在页表中设置每个内存页面的访问权限,有些页面不允许访问,有些页面只有在CPU处于特权模式时才允许访问,有些页面在用户模式和特权模
式都可以访问,访问权限又分为可读、可写和可执行三种。这样设定好之后,当CPU要访问一个VA时,MMU会检查CPU当前处于用户模式还是特权模式,访
问内存的目的是读数据、写数据还是取指令,如果和操作系统设定的页面权限相符,就允许访问,把它转换成PA,否则不允许访问,产生一个异常
(Exception)。异常的处理过程和中断类似,不同的是中断由外部设备产生而异常由CPU内部产生,中断产生的原因和CPU当前执行的指令无关,而异常的产生就是由于CPU当前执行的指令出了问题,例如访问内存的指令被MMU检查出权限错误,除法指令的除数为0等都会产生异常。

图 3. 处理器模式




常操作系统把虚拟地址空间划分为用户空间和内核空间,例如x86平台的Linux系统虚拟地址空间是0x00000000~0xffffffff,前
3GB(0x00000000~0xbfffffff)是用户空间,后1GB(0xc0000000~0xffffffff)是内核空间。用户程序加载到
用户空间,在用户模式下执行,不能访问内核中的数据,也不能跳转到内核代码中执行。这样可以保护内核,如果一个进程访问了非法地址,顶多这一个进程崩溃,
而不会影响到内核和整个系统的稳定性。CPU在产生中断或异常时不仅会跳转到中断或异常服务程序,还会自动切换模式,从用户模式切换到特权模式,因此从中
断或异常服务程序可以跳转到内核代码中执行。事实上,整个内核就是由各种中断和异常处理程序组成的。总结一下:在正常情况下处理器在用户模式执行用户程
序,在中断或异常情况下处理器切换到特权模式执行内核程序,处理完中断或异常之后再返回用户模式继续执行用户程序。

段错误我们已经遇到过很多次了,它是这样产生的:

  1. 用户程序要访问的一个VA,经MMU检查无权访问。

  2. MMU产生一个异常,CPU从用户模式切换到特权模式,跳转到内核代码中执行异常服务程序。

  3. 内核把这个异常解释为段错误,把引发异常的进程终止掉。

声明: 本文由( 鲁智森也有文化 )原创编译,转载请保留链接: MMU

MMU:目前有3 条留言

  1. 地板
    匿名用户:

    [e01]

    2010-05-26 08:41 [回复]
  2. 板凳
    xudongxd:

    [e01] 讲的挺清晰的~~

    2010-05-31 13:23 [回复]
  3. 沙发
    zsmj0513:

    很清晰

    2011-11-29 10:19 [回复]

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