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时间: 2023-11-06 14:08:09 浏览: 130

PowerPC 的 MMU 和 TLB 机制

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### PowerPC 的 MMU 和 TLB 机制详解 #### 一、基本原理 ##### 1.1.1 基本概念在讨论虚拟存储系统时，首先要理解以下几个关键概念及其相互之间的关系： - **逻辑地址**：这是编程中直接使用的地址，例如数据载入或绝对指令跳转所使用的地址，例如LR寄存器中的地址等。在本文中，“有效地址”（Effective Address, EA）即指逻辑地址。 - **虚拟地址**：在页转换过程中使用的地址，它是逻辑地址转换为物理地址过程中的一个中间状态。虚拟地址的位数依赖于处理器类型和型号。例如，在PPC440处理器中，虚拟地址长度为41位。 - **TLB (Translation Lookaside Buffer)**：转换快表，是硬件实现的一种缓存，用于存储最近使用的页转换地址映射表。TLB是内存页表的一个高速缓存副本，其中包含部分或全部页表条目。 - **物理地址**：最终用于内存访问的实际地址。例如，SDRAM使用的就是物理地址。 ##### 1.1.2 内存管理内存管理主要负责计算机主存的管理和调度，具体分为三个层次： - **硬件层**：关注CPU提供的内存管理硬件机制，例如分页、分段以及Cache/MMU等。 - **操作系统层**：提供虚拟内存机制，为应用程序提供内存分配和回收等功能。 - **应用程序层**：应用程序通过调用系统提供的接口来请求内存分配或释放内存。此外，**重定位**是指在代码的加载域和链接域不一致时，加载程序对代码进行重新定位的过程，以确保符号能被正确解析。 ##### 1.1.3 MMU (Memory Management Unit) 简介 MMU的主要功能包括： 1. **地址转换**：将逻辑地址转换为物理地址。这一过程分为指令地址转换和数据地址转换。 2. **权限保护**：例如提供读写保护功能，并且在PowerPC架构中还区分了超级模式和普通用户的权限。 3. **虚拟空间扩展**：允许有效地址空间比实际物理内存大，从而实现虚拟交换技术，支持运行大型程序。现代MMU通常将虚拟地址空间划分为页，页的大小通常是2的幂次方，一般为几千字节。虚拟地址中的低n位表示页内地址，在地址转换过程中保持不变；而高n位则称为虚拟页号（Virtual Page Number），MMU的核心功能之一就是将虚拟页号转换为物理页号。 MMU首先尝试在TLB中查找待访问的指令或数据地址，若未命中，则会触发页表异常处理流程。 ##### 1.1.4 地址转换模式存在三种主要的地址转换模式： 1. **段页式地址转换**：将地址空间分割为多个段，每个段进一步分为页。 2. **块地址转换 (Block Address Translation, BAT)**：适用于将逻辑地址映射到一大块连续的物理地址上，可以减少页表的数量并提高转换效率。这种转换方式仅适用于部分PowerPC处理器，例如MPC8247/8260等，PPC440并不支持。 3. **实地址转换**：即平板映射模式，禁止地址转换，逻辑地址等于物理地址。如果物理内存较小，高位的逻辑地址可能会被忽略。大多数嵌入式处理器不支持MMU时，通常采用这种模式。 #### 二、PPC440 MMU 概述 PPC440系列处理器支持4G的有效地址空间（EA）和64G(36bit)的实地址空间（RA）。其MMU实现如下功能： - 将有效地址（EA）转换为实地址（RA）。 - 软件可控制的页表替换策略。 - 页表级别的指令和数据访问权限控制。 - 页表级别的存储属性控制。 PPC440仅支持页式内存管理，支持九种不同大小的页，范围从1K至1G。当访问的地址无法通过TLB映射时，会触发DATA或Instruction TLB Exception。 #### 三、TLB (Translation Lookaside Buffer) PPC440的TLB采用了64路全关联的硬件结构，负责控制地址转换、存取保护及存储属性等。TLB的维护由软件通过特定指令控制，主要包括： - `Tlbwe`：用于写入TLB表，可以通过连续三条指令从通用寄存器（GPR）和MMUCR[STID]中获取一条TLB表项并写入硬件。 - `Tlbre`：用于读取TLB表项，可以通过连续三条指令从硬件中读出一条TLB表项到通用寄存器（GPR）和MMUCR[STID]中。 - `Tlbwi`：用于无效化TLB表项，可以通过一条指令使指定的TLB表项无效。 PowerPC的MMU和TLB机制在处理器的设计中起着至关重要的作用，它们共同协作以提供高效且安全的地址转换和内存管理功能。

powerpc+mmu 是指 PowerPC 架构的处理器加上内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）。PowerPC 架构最初由 IBM、Apple 和 Motorola 共同开发，现在已经被许多公司广泛采用，包括 IBM、Freescale、AMCC 等。MMU 是一种硬件设备，用于管理计算机系统中的内存，包括虚拟内存和物理内存之间的映射、访问权限等。

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