提到MMU就要提到一個概念，虛擬地址(Virtual Address)。前面的文章中反復提到過虛擬地址的概念。

使用虛擬地址的好處是它允許管理軟件，例如操作系統(tǒng)(OS)來控制呈現(xiàn)給軟件的內(nèi)存視圖。操作系統(tǒng)可以控制哪些內(nèi)存是可見的，哪些內(nèi)存是可見的，哪些訪問是允許的。應用程序知道它是由操作系統(tǒng)和硬件協(xié)同工作來執(zhí)行地址轉(zhuǎn)換的。實際上，每個應用程序都可以使用自己的一組虛擬地址，這些地址將映射到物理系統(tǒng)中的不同位置。當操作系統(tǒng)在不同的應用程序之間切換時，它會重新編程映射。這意味著當前應用程序的虛擬地址將映射到內(nèi)存中正確的物理位置。

使用虛擬地址的另一個好處是操作系統(tǒng)可以將內(nèi)存的多個碎片物理區(qū)域作為單個、連續(xù)的虛擬地址空間呈現(xiàn)給應用程序。虛擬地址也有利于軟件開發(fā)人員，他們在編寫應用程序時不知道系統(tǒng)的確切內(nèi)存地址。使用虛擬地址，軟件開發(fā)人員不需要關心物理內(nèi)存。

虛擬地址和物理地址之間的映射存儲在轉(zhuǎn)換表(translation tables)中：

轉(zhuǎn)換表在內(nèi)存中，由軟件(通常是操作系統(tǒng)或管理程序)管理。地址轉(zhuǎn)換表是動態(tài)的，可以根據(jù)軟件的需要進行更新。負責虛擬地址到物理地址轉(zhuǎn)換的部件就是MMU。MMU由兩部分組成：

表遍歷單元(Table Walk Unit)，包含從內(nèi)存中讀取地址轉(zhuǎn)換表的邏輯。

TLB(Translation Lookaside Buffer)，緩存最近使用的地址轉(zhuǎn)換。

軟件發(fā)出的所有內(nèi)存地址都是虛擬的。這些內(nèi)存地址被傳遞給MMU，MMU檢查TLB中最近使用的緩存地址轉(zhuǎn)換。如果MMU沒有找到最近緩存的地址轉(zhuǎn)換，表遍歷單元(TWU)將從內(nèi)存中讀取相應的表條目。

轉(zhuǎn)換表的工作原理是將虛擬地址空間劃分為大小相等的塊，并在每個塊的表中提供一個條目。

當轉(zhuǎn)換發(fā)生時，由軟件發(fā)出的虛擬地址將一分為二。在下圖中被標記為“which entry”的高位告訴您要查找哪個塊條目，并將它們用作表的索引。此輸入塊包含虛擬地址的物理地址。低階位在圖中被標記為“offset in blocks”，是該塊中的偏移量，不會因轉(zhuǎn)換而改變。

多級查找更為復雜。以下圖為例，第一個表將虛擬地址空間劃分為大的塊。這個表中的每個條目可以指向一個大小相等的物理內(nèi)存塊，也可以指向另一個將塊細分為更小塊的表。我們稱這種類型的表為“多級表”。在ARMv8-A中，最多可以支持四級查找。多級查找為虛擬化技術提供了支持。

這種多級查找方法允許描述較大的內(nèi)存塊和較小的內(nèi)存塊。大/小塊體的特點如下：

大內(nèi)存塊比小內(nèi)存塊需要更少的讀取級別。另外，大內(nèi)存塊在TLB中的緩存效率更高。

小內(nèi)存塊為軟件提供了對內(nèi)存分配的細粒度控制。但是，小內(nèi)存塊在TLB中的緩存效率較低。緩存效率較低，因為小內(nèi)存塊需要多次讀取級別才能轉(zhuǎn)換。

處理器在開始表查找時不知道轉(zhuǎn)換的大小。處理器通過執(zhí)行表遍歷計算出正在轉(zhuǎn)換的塊的大小。

在ARMv8-A中有三個獨立的虛擬地址空間，分別是：

NS.EL0 and NS.EL1 (Non-secure EL0/EL1).

NS.EL2 (Non-secure EL2).

EL3.

在虛擬化中，我們將操作系統(tǒng)控制的地址轉(zhuǎn)換集稱為stage 1。Stage 1表將虛擬地址轉(zhuǎn)換為中間物理地址(IPA)。在Stage 1，操作系統(tǒng)認為IPA是物理地址空間。然而，hypervisor控制第二組轉(zhuǎn)換，我們稱之為Stage 2。Stage2 將IPA轉(zhuǎn)換為物理地址。前面介紹ARM虛擬化的文章中有介紹，不再贅述。

Armv8-A是一個64位體系結構，但這并不意味著所有的地址都是64位的。虛擬地址以64位格式存儲。因此，LDR指令和STR指令中的地址始終在X寄存器中指定。但是，并非X寄存器中的所有地址都有效。在Armv8.0-A中，物理地址的最多是48位。在Armv8.2-A中擴展到52位。

許多現(xiàn)代操作系統(tǒng)的所有應用程序似乎都運行在同一個地址區(qū)域，這就是我們所說的用戶空間。實際上，不同的應用程序需要不同的映射。

理想情況下，我們希望不同應用程序的地址轉(zhuǎn)換在TLB中共存，以防止TLB在上下文切換時失效。但是處理器如何知道要使用哪個版本的地址轉(zhuǎn)換呢?在Armv8-A中，答案是地址空間標識符(Address SpaceIdentifiers，ASID)。

對于EL0/EL1虛擬地址空間，可以使用轉(zhuǎn)換表項的屬性字段中的nG位將轉(zhuǎn)換標記為全局(G)或非全局(nG)。例如，內(nèi)核映射是全局轉(zhuǎn)換，而應用程序映射是非全局轉(zhuǎn)換。全局轉(zhuǎn)換應用于當前正在運行的應用程序。非全局地址轉(zhuǎn)換僅適用于特定應用程序。

非全局映射在TLB中用ASID標記。在TLB查找中，TLB條目中的ASID將與當前選定的ASID進行比較。如果它們不匹配，則不使用TLB條目。下圖顯示了內(nèi)核空間中沒有ASID標記的全局映射，以及具有ASID標記的用戶空間中的非全局映射。該圖顯示，允許多個應用程序的TLB條目在緩存中共存，ASID決定使用哪個條目。

EL0/EL1轉(zhuǎn)換也可以使用虛擬機標識符(Virtual MachineIdentifier，VMID)進行標記。VMID允許來自不同VM的轉(zhuǎn)換在緩存中共存。這與ASID處理來自不同應用程序的地址轉(zhuǎn)換的方式類似。在實踐中，這意味著一些轉(zhuǎn)換將同時使用VMID和ASID進行標記，并且兩者都必須與要使用的TLB條目相匹配。

如果一個系統(tǒng)包含多個處理器，那么在一個處理器上使用的ASID和VMID在其他處理器上的含義是否相同?對于Armv8.0-A來說，答案是它們的意思并不一定相同。軟件不需要以相同的方式在多個處理器間使用給定的ASID。例如，ASID 5可能被一個處理器上的計算器和另一個處理器上的web瀏覽器使用。這意味著一個處理器創(chuàng)建的TLB條目不能被另一個處理器使用。

實際上，軟件不太可能在處理器之間使用不同的ASID。軟件在給定系統(tǒng)中的所有處理器上以相同的方式使用ASID和VMID更為常見。因此，Armv8.2-A在轉(zhuǎn)換表基寄存器(TTBR)中引入了公共非私有(Common not Private，CnP)位。當設置了CnP位時，軟件承諾在所有處理器上以相同的方式使用ASID和VMID，這允許一個處理器創(chuàng)建的TLB條目被另一個處理器使用。

轉(zhuǎn)化粒度是可以描述的最小的存儲塊。Armv8-A支持三種不同的粒度：4KB、16KB和64KB。處理器支持的顆粒大小由實現(xiàn)定義，并由ID_AA64MMFR0_EL1報告。所有Arm Cortex-A處理器支持4KB和64KB。

當MMU被禁用時，所有地址都是平面映射的。也就是說，輸入和輸出地址是相同的。

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原文標題：技術分享 | ARM系列 -- MMU

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