MMU详解：地址映射与虚拟存储的关键

MMU，即Memory Management Unit，是现代计算机存储系统中的关键组件，它在内存管理和地址转换中起着至关重要的作用。MMU的主要任务是支持虚拟地址到物理地址的映射，以及提供存储器地址空间的保护机制。这主要体现在以下几个方面： 1. **存储系统原理**：为了平衡存储容量和访问速度，计算机采用了层次化的存储体系，包括寄存器、高速缓存、主存和外存。其中，高速缓存和主存组成了缓存存储系统，旨在提升速度，而主存与磁盘构成虚拟存储系统，旨在扩大可用存储空间。 2. **地址映射与保护**：MMU的核心功能之一是通过页表管理虚拟地址和物理地址之间的映射关系。虽然页表通常很大，但MMU仅存储常用部分，其余存储在内存中。当需要新地址映射时，MMU会根据需要从主存加载页表。此外，MMU还允许设置不同的访问权限，确保内核空间的安全性。 3. **OpenRISC存储系统**：OpenRISC架构的存储系统包括一个MMU，它包含一个地址转换后备缓冲存储器(TLB)。当CPU产生虚拟地址时，首先送至MMU，TLB负责查找已有的映射，加速地址转换过程。如果地址对应于片上快速存储器QMEM，MMU会直接执行操作，否则进一步处理高速缓存，将QMEM视为第一级缓存，icache和dcache作为第二级缓存。 4. **虚拟存储器工作原理**：虚拟存储器扩展了主存空间，使得程序可以访问比实际内存更大的地址范围。当程序试图访问超过主存范围的地址时，虚拟存储器通过替换策略，将不再频繁使用的数据换出到硬盘，为其他数据腾出空间，实现了“存储空间的虚拟化”。 MMU是现代计算机存储系统设计中的基石，它通过复杂的地址映射机制和权限管理，实现了高效、安全的内存使用，对提高计算机性能和保护系统安全性至关重要。OpenRISC架构的实现则提供了具体的硬件支持，将MMU功能细化到了TLB和QMEM等子系统中，进一步优化了存储访问效率。