MMU地址映射过程详细

ARMv6 MMU简述
1）MMU由协处理器CP15控制；
2）MMU功能：地址映射(VA->PA)，内存访问权限控制；
3）虚拟地址到物理地址的转换过程：Micro TLB->Main TLB->Page Table Walk
址映射过程详述
参考《ARM1176 JZF-S Technical Reference Manual》6.11节，Hardware page table translation
关于页表：ARMv6的MMU进行地址映射时涉及到两种页表，一级页表（first level page table）和二级页表(coarse page table)。
关于映射方式：映射方式有两种，段映射和页映射。段映射只用到一级页表，页映射用到一级页表和二级页表。
关于映射粒度：段映射的映射粒度有两种，1M section和16M supersection；页映射的映射粒度也有两种，4K small page和64K large page。
硬件在做地址转换时，如何知道当前是什么映射方式以及映射粒度是多少呢？
一级页表的入口描述符(first-level descriptor)格式如下：
第[1:0]位决定映射方式：
[1:0]=10b时，是段映射，此时只需作一级映射，描述符的最高12或8位存放的是段基址；
[1:0]=01b时，是页映射，此时虚拟地址转换为物理地址需要经历二级映射，描述符的最高22位存放的是二级页表的物理地址；
第[18]位决定段映射的粒度：
[18]=0b时，映射粒度为1M，描述符的最高12位存放段基址；
[18]=1b时，映射粒度为16M，描述符的最高8位存放段基址；
当映射方式为页映射时，我们用到二级页表，二级页表的入口描述符（second-level descriptor）格式如下：

第[1:0]位决定页映射的映射粒度：
[1:0]=10b或11b时，映射粒度为4KB，描述符的最高20位为页基址；
[1:0]=01b时，映射粒度为64KB，描述符的最高16位为页基址；
下面分4种情况对地址映射过程做详细描述：
1）段映射，映射粒度为1M
2）段映射，映射粒度为16M
3）页映射，映射粒度为4K
4）页映射，映射粒度为64K
2.1段映射，映射粒度为1M
当映射方式为段映射，且映射粒度为1M时，映射图如下：

虚拟地址到物理地址的映射过程如下：
虚拟地址的[31:20]位存放一级页表的入口index，[19:0]位存放段偏移；
从TTBR（translation table base register，协处理器CP15中的一个寄存器，用于存放一级页表的基址）寄存器中获取一级页表的基址；
一级页表基址+ VA[31:20] = 该虚拟地址对应的页表描述符的入口地址；
页表描述符的[31:20]位为该虚拟地址对应的物理段基址；
物理段基址+ VA[19:0]段偏移= 物理地址
由映射图可知，一个虚拟地址可以索引2^12个一级页表入口，每个入口映射2^20大小的内存，故虚拟地址可以映射的最大物理内存为：2^12 * 2^20，即4G。
2.2 段映射，映射粒度为16M
当映射方式为段映射，且映射粒度为16M时，映射图如下：

虚拟地址到物理地址的映射过程如下：
虚拟地址的[31:24]位存放一级页表的入口index，[23:0]位存放段偏移；
从TTBR（translation table base register，协处理器CP15中的一个寄存器，用于存放一级页表的基址）寄存器中获取一级页表的基址；
一级页表基址+ VA[31:24] = 该虚拟地址对应的页表描述符的入口地址；
页表描述符的[31:24]位为该虚拟地址对应的物理段基址；
物理段基址+ VA[23:0]段偏移= 物理地址
由映射图可知，一个虚拟地址可以索引2^8个一级页表入口，每个入口映射2^24大小的内存，故虚拟地址可以映射的最大物理内存为：2^8 * 2^24，即4G。
2.3 页映射，映射粒度为4K
当映射方式为页映射，且映射粒度为4K时，映射图如下：

虚拟地址到物理地址的映射过程如下：
虚拟地址的[31:20]位存放一级页表的入口index，[19:12]位存放二级页表的入口index，[11:0]位存放页偏移；
从TTBR（translation table base register，协处理器CP15中的一个寄存器，用于存放一级页表的基址）寄存器中获取一级页表的基址；
一级页表基址+ VA[31:20] = 一级页表描述符的入口地址；
一级页表描述符的[31:10]位存放二级页表的基址；
二级页表基址+ VA[19:12] = 二级页表描述符的入口地址；
二级页表描述符的[31:12]位存放该虚拟地址在内存中的物理页基址；
物理页基址+ VA[11:0]页偏移= 物理地址
由映射图可知，一个虚拟地址可以索引2^12个一级页表入口，每个一级页表入口指向的二级页表最大可以有2^8个二级页表入口，每个二级页表入口映射2^12大小的内存，故虚拟地址可以映射的最大物理内存为：2^12 * 2^8 * 2^12 ，即4G。
2.4 页映射，映射粒度为64K
当映射方式为页映射，且映射粒度为64K时，映射图如下：

虚拟地址到物理地址的映射过程如下：
虚拟地址的[31:20]位存放一级页表的入口index，[19:16]位存放二级页表的入口index，[15:0]位存放页偏移；
从TTBR（translation table base register，协处理器CP15中的一个寄存器，用于存放一级页表的基址）寄存器中获取一级页表的基址；
一级页表基址+ VA[31:20] = 一级页表描述符的入口地址；
一级页表描述符的[31:10]位存放二级页表的基址；
二级页表基址+ VA[19:16] = 二级页表描述符的入口地址；
二级页表描述符的[31:16]位存放该虚拟地址在内存中的物理页基址；
物理页基址+ VA[15:0]页偏移= 物理地址　　
由映射图可知，一个虚拟地址可以索引2^12个一级页表入口，每个一级页表入口指向的二级页表最大可以有2^4个二级页表入口，每个二级页表入口映射2^16大小的内存，故虚拟地址可以映射的最大物理内存为：2^12 * 2^4 * 2^16 ，即4G。
2.5 地址映射总图
《ARM1176 JZF-S Technical Reference Manual》中有一张对上述四种映射情况的汇总图：
关于一级页表基址
参考《ARM1176 JZF-S Technical Reference Manual》6.12 MMU descriptors
ARMv6中有两个协处理器寄存器用来存放一级页表基地址，TTBR0和TTBR1。操作系统把虚拟内存划分为内核空间和用户空间，TTBR0存放用户空间的一级页表基址，TTBR1存放内核空间的一级页表基址。

In this model, the virtual address space is divided into two regions:
• 0x0 -> 1<<(32-N) that TTBR0 controls
• 1<<(32-N) -> 4GB that TTBR1 controls.

N的大小由TTBCR寄存器决定。0x0 -> 1<<(32-N)为用户空间，由TTBR0控制，1<<(32-N) -> 4GB为内核空间，由TTBR1控制。
N的大小与一级页表大小的关系图如下：

操作系统为用户空间的每个进程分配各自的页表，即每个进程的一级页表基址是不一样的，故当发生进程上下文切换时，TTBR0需要被存放当前进程的一级页表基址；TTBR1中存放的是内核空间的一级页表基址，内核空间的一级页表基址是固定的，故TTBR1中的基址值不需要改变。
4. u-boot中MMU初始化代码分析

u-boot中的MMU地址映射方式为段映射，映射粒度为1M，只用到一级页表。

start.S中的MMU初始化代码如下：
详见：https://www.cnblogs.com/tanghuimin0713/p/3917178.html

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