内存管理（硬件编程）

　　内存管理（硬件编程）
　　一、什么是MMU
　　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上的（SDRAM或者NOR Flash）。程序在运行过程中通过总线访问的数据，读写的地址都是物理地址。例如，程序计数器PC中的值就是预取指令所在的物理内存的地址值。
　　冯-诺依曼计算机模型
　　这种方式比较容易实现硬件电路的设计，程序的处理逻辑也比较简单，但是并不适应于复杂的系统，尤其是拥有多任务的OS。我们首先看看原来的方式有哪些不足和缺陷。
　　物理内存不足。例如，某个程序运行需要64K的内存，而机器上只有32K的物理内存。
　　程序运行的地址不确定。同一个程序，每次被装载到内存的地址可能不一样。
　　内存使用率低。需要运行某个程序，就需要将整个程序装入内存才能够运行。
　　无法支持多任务。存在进程间地址空间不隔离的问题，或者一个任务失败了，可能会导致整个系统宕机。
　　然而随着计算机科学技术的发展，所需解决的问题越来越复杂，单任务批处理已不能满足需求了。而且应用程序需要的内存量也越来越大。而且伴随着多任务同时处理的需求，这种技术架构已然不能满足需求了。在这样的背景下，MMU 应运而生，也由此可见，任何一项技术的发展壮大，都必然是需求驱动的。MMU(Memory Management Unit)主要用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权、多任务多进程操作系统。
　　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：
　　MMU硬件电路的作用
　　二、MMU的具体功能
　　1、页表的映射转换
　　MMU的主要功能是虚拟地址到物理地址的转换。但凡＂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、虚拟地址空间划分成称为页（page）的单位，而相应的物理地址空间也被进行划分，单位是页框(frame)，页和页框的大小必须相同。映射的最低粒度是单个虚拟页到物理页，页大小通常是4K，即一次最少要把4K大小的VA页块整体映射到4K的PA页块（从0开始4K对齐划分页块），页内偏移不变。
　　比如：VA的一页0x30004000~0x30004fff被映射到PA的一页 0x00008000~0x00008fff，当CPU执行单元访问虚拟地址0x30004008，实际访问的物理地址是0x00008008（0x30004008和0x00008008分别位于虚实两套地址空间，互不相干，不存在重叠和冲突）。以页为最小单位，就是不能把VA中某一页划分成几小块分别映射到不同PA，也不能把VA中属于不同页的碎块映射到PA某一页的不同部分，必须页对页整体映射。
　　b、MMU软件配置的核心是页表（Page Table），它描述MMU的映射规则，即虚拟内存哪(几)个页映射到物理内存哪(几)个页帧。页表由一条条代表映射规则的记录组成，每一条称为一个页表条目（Page Table Entry,即PTE），整个页表保存在片外内存，MMU通过查找页表确定一个VA应该映射到什么PA，以及是否有权限映射。
　　c、如果MMU每次地址转换都到位于外部内存的页表上查找PTE，转换速度就会大大降低，于是出现了TLB。TLB (Translation Lookaside Buffers)即转换快表，又简称快表，可以理解为MMU内部专用的存放页表的cache，保存着最近使用的PTE乃至全部页表。MMU接收到虚拟地址后，首先在TLB中查找，如果找到该VA对应的PTE就直接转换，找不到再去外存页表查找，并置换进TLB。TLB属于片上SRAM，访问速度快，通过TLB缓存PTE可以节省MMU访问外存页表的时间，从而加速虚实地址转换。TLB和CPU cache的工作原理一样，只是TLB专用于为MMU缓存页表。
　　地址转换的整个过程
　　2、MMU的内存保护功能
　　既然所有发往内存的地址信号都要经过MMU处理，那让它只单单做地址转换，岂不是浪费了这个特意安插的转换层?显然它有能力对虚地址访问做更多的限定(就像路由器转发网络包的同时还能过滤各种非法访问)，比如内存保护。可以在PTE条目中预留出几个比特，用于设置访问权限的属性，如禁止访问、可读、可写和可执行等。设好后，CPU访问一个VA时，MMU找到页表中对应PTE，把指令的权限需求与该PTE中的限定条件做比对，若符合要求就把VA转换成PA，否则不允许访问，并产生异常。
　　三、操作系统对MMU的管理
　　实际上MMU是为满足操作系统越来越复杂的内存管理而产生的。OS和MMU的关系简单说：
　　1、系统初始化代码会在内存中生成页表，然后把页表地址设置给MMU对应寄存器，使MMU知道页表在物理内存中的什么位置，以便在需要时进行查找。之后通过专用指令启动MMU，以此为分界，之后程序中所有内存地址都变成虚地址，MMU硬件开始自动完成查表和虚实地址转换。
　　2、OS初始化后期，创建第一个用户进程，这个过程中也需要创建页表，把其地址赋给进程结构体中某指针成员变量。即每个进程都要有独立的页表。
　　3、用户创建新进程时，子进程拷贝一份父进程的页表，之后随着程序运行，页表内容逐渐更新变化。
　　4、系统处理内存寻址， 这个过程由操作系统进行管理和维护，保证流程的正常进行。
　　内存寻址总览图
　　上图是一个内存管理的硬件结构，处理流程：
　　a、cpu发起一个寻址的请求，由MMU接受处理；
　　b、如果MMU在TLB缓冲中找到，则直接用映射后的物理地址，去主内存读取；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，发现虚拟地址还没有分配物理地址空间的时候，会触发缺页中断，此时会去查看这段虚拟地址对应的磁盘文件内容，将其加载到内存中，在页表中建立起映射关系，程序就可以继续执行了。
　　总结
　　了解了地址转换的流程，VA到PA的映射过程就一目了然：MMU得到VA后先在TLB内查找，若没找到匹配的PTE条目就到外部页表查询，并置换进TLB；根据PTE条目中对访问权限的限定检查该条VA指令是否符合，若不符合则不继续，并抛出exception异常；符合后根据VA的地址分段查询页表，保持offset(广义)不变，组合出物理地址，发送出去。