ARM9 MMU与CACHE详解：嵌入式系统存储管理

"嵌入式系统及应用-ARM9 MMU与CACHE的讲解，由陈家林于2014年4月分享。" 嵌入式系统中的ARM9处理器具有强大的功能，其中MMU（Memory Management Unit）和CACHE是两个关键组件，用于提升系统的性能和安全性。MMU的主要职责是实现虚拟地址到物理地址的映射，从而让CPU能够高效地访问内存，同时通过权限控制来保护存储区域。CACHE则是通过缓存最近使用的数据，减少处理器与内存之间的通信延迟，提高处理速度。 3.8.1 概述 ARM9架构支持线性地址空间管理，通过MMU的介入，CPU使用虚拟地址执行程序，这些地址在执行时会被转换为实际的物理地址。此外，MMU还负责I/O映射，允许CPU与外部设备交互。同时，它能设置对局部存储访问的权限，防止未经授权的访问。 3.8.2 存储管理 在存储管理中，有三种类型的地址：虚拟地址（VA）、变换地址（MVA）和物理地址（PA）。虚拟地址是CPU执行程序时看到的地址，而变换地址是经过MMU转换后的虚拟地址，通常用于CACHE。物理地址则是内存实际存储的位置。域的概念涉及到VA的划分，TLB（Translation Lookaside Buffer）和CACHE则处理MVA，而AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）总线则处理PA，协调不同组件间的通信。 3.8.3 CP15协处理器 CP15是一个关键的协处理器，专门用于存储管理和控制MMU及CACHE。在ARM920T中，它遵循V4版本的规范，包含16个32位寄存器（C0到C15），并且有MCR（Move to Coprocessor Register）和MRC（Move from Coprocessor Register）两条指令，分别用于向和从CP15寄存器传输数据。MCR指令将ARM寄存器的值写入CP15，而MRC则是相反操作。这两个指令通常在系统模式下运行，用户模式下直接执行会引发未定义指令异常，需要通过SWI（Software Interrupt）调用操作系统服务。 3.8.3.1 MCR和MRC指令 MCR指令格式为MCR{<cond>} p15, <opcode1=0>, <Rd>, <CRn>, <CRm>{,<opcode2>}; Rd是ARM寄存器，CRn和CRm是CP15寄存器。MRC指令类似，用于读取CP15寄存器的值。这些指令用于配置和管理MMU和CACHE的相关参数。 编号和基本作用： - 0号寄存器：只读，提供ID和Cache类型信息。 - 1号寄存器：控制位，用于设置MMU、CACHE的属性等，可读写。 - 2号寄存器：存储器保护和控制，设置地址转换表基地址。 - 3号寄存器：内存保护和控制，涉及域访问控制。 - 4号寄存器：保留，可能有特定的用途。 - 5号寄存器：内存保护和控制，可能包含额外的访问控制信息。 总结，嵌入式系统中的ARM9 MMU和CACHE是优化性能、安全性和效率的关键组件。MMU通过地址映射和权限控制提供了灵活的内存管理，而CACHE通过缓存机制减少了数据传输的延迟。通过CP15协处理器及其MCR和MRC指令，开发者可以精确地配置和控制这些功能，以适应不同的应用场景。