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<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.0 Transitional//EN" "http://www.w3.org/TR/xhtml1/DTD/xhtml1-transitional.dtd">
<html xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml"><head><meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=UTF-8" /><title>4. MMU</title><link rel="stylesheet" href="styles.css" type="text/css" /><meta name="generator" content="DocBook XSL Stylesheets V1.73.2" /><link rel="start" href="index.html" title="Linux C编程一站式学习" /><link rel="up" href="ch17.html" title="第 17 章 计算机体系结构基础" /><link rel="prev" href="ch17s03.html" title="3. 设备" /><link rel="next" href="ch17s05.html" title="5. Memory Hierarchy" /></head><body><div class="navheader"><table width="100%" summary="Navigation header"><tr><th colspan="3" align="center">4. MMU</th></tr><tr><td width="20%" align="left"><a accesskey="p" href="ch17s03.html">上一页</a> </td><th width="60%" align="center">第 17 章 计算机体系结构基础</th><td width="20%" align="right"> <a accesskey="n" href="ch17s05.html">下一页</a></td></tr></table><hr /></div><div class="sect1" lang="zh-cn" xml:lang="zh-cn"><div class="titlepage"><div><div><h2 class="title" style="clear: both"><a id="id2767055"></a>4. MMU</h2></div></div></div><p>现代操作系统普遍采用虚拟内存管理（Virtual Memory Management）<a id="id2767066" class="indexterm"></a>机制，这需要处理器中的MMU（Memory Management Unit，内存管理单元）<a id="id2767076" class="indexterm"></a>提供支持，本节简要介绍MMU的作用。</p><p>首先引入两个概念，虚拟地址和物理地址。如果处理器没有MMU，或者有MMU但没有启用，CPU执行单元发出的内存地址将直接传到芯片引脚上，被内存芯片（以下称为物理内存，以便与虚拟内存区分）接收，这称为物理地址（Physical Address，以下简称PA）<a id="id2767100" class="indexterm"></a>，如下图所示。</p><div class="figure"><a id="id2767109"></a><p class="title"><b>图 17.5. 物理地址</b></p><div class="figure-contents"><div><img src="images/arch.pabox.png" alt="物理地址" /></div></div></div><br class="figure-break" /><p>如果处理器启用了MMU，CPU执行单元发出的内存地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址（Virtual Address，以下简称VA）<a id="id2767128" class="indexterm"></a>，而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上，也就是将VA映射成PA，如下图所示。</p><div class="figure"><a id="id2767139"></a><p class="title"><b>图 17.6. 虚拟地址</b></p><div class="figure-contents"><div><img src="images/arch.vabox.png" alt="虚拟地址" /></div></div></div><br class="figure-break" /><p>如果是32位处理器，则内地址总线是32位的，与CPU执行单元相连（图中只是示意性地画了4条地址线），而经过MMU转换之后的外地址总线则不一定是32位的。也就是说，虚拟地址空间和物理地址空间是独立的，32位处理器的虚拟地址空间是4GB，而物理地址空间既可以大于也可以小于4GB。</p><p>MMU将VA映射到PA是以页（Page）<a id="id2767172" class="indexterm"></a>为单位的，32位处理器的页尺寸通常是4KB。例如，MMU可以通过一个映射项将VA的一页0xb7001000~0xb7001fff映射到PA的一页0x2000~0x2fff，如果CPU执行单元要访问虚拟地址0xb7001008，则实际访问到的物理地址是0x2008。物理内存中的页称为物理页面或者页帧（Page Frame）<a id="id2767190" class="indexterm"></a>。虚拟内存的哪个页面映射到物理内存的哪个页帧是通过页表（Page Table）<a id="id2767199" class="indexterm"></a>来描述的，页表保存在物理内存中，MMU会查找页表来确定一个VA应该映射到什么PA。</p><p>操作系统和MMU是这样配合的：</p><div class="orderedlist"><ol type="1"><li><p>操作系统在初始化或分配、释放内存时会执行一些指令在物理内存中填写页表，然后用指令设置MMU，告诉MMU页表在物理内存中的什么位置。</p></li><li><p>设置好之后，CPU每次执行访问内存的指令都会自动引发MMU做查表和地址转换操作，地址转换操作由硬件自动完成，不需要用指令控制MMU去做。</p></li></ol></div><p>我们在程序中使用的变量和函数都有各自的地址，程序被编译后，这些地址就成了指令中的地址，指令中的地址被CPU解释执行，就成了CPU执行单元发出的内存地址，所以在启用MMU的情况下，程序中使用的地址都是虚拟地址，都会引发MMU做查表和地址转换操作。那为什么要设计这么复杂的内存管理机制呢？多了一层VA到PA的转换到底换来了什么好处？All problems in computer science can be solved by another level of indirection.还记得这句话吗？多了一层间接必然是为了解决什么问题的，等讲完了必要的预备知识之后，将在<a class="xref" href="ch20s05.html#link.vm">第 5 节 “虚拟内存管理”</a>讨论虚拟内存管理机制的作用。</p><p>MMU除了做地址转换之外，还提供内存保护机制。各种体系结构都有用户模式（User Mode）<a id="id2767273" class="indexterm"></a>和特权模式（Privileged Mode）<a id="id2767280" class="indexterm"></a>之分，操作系统可以在页表中设置每个内存页面的访问权限，有些页面不允许访问，有些页面只有在CPU处于特权模式时才允许访问，有些页面在用户模式和特权模式都可以访问，访问权限又分为可读、可写和可执行三种。这样设定好之后，当CPU要访问一个VA时，MMU会检查CPU当前处于用户模式还是特权模式，访问内存的目的是读数据、写数据还是取指令，如果和操作系统设定的页面权限相符，就允许访问，把它转换成PA，否则不允许访问，产生一个异常（Exception）<a id="id2767307" class="indexterm"></a>。异常的处理过程和中断类似，不同的是中断由外部设备产生而异常由CPU内部产生，中断产生的原因和CPU当前执行的指令无关，而异常的产生就是由于CPU当前执行的指令出了问题，例如访问内存的指令被MMU检查出权限错误，除法指令的除数为0等都会产生异常。</p><div class="figure"><a id="id2767327"></a><p class="title"><b>图 17.7. 处理器模式</b></p><div class="figure-contents"><div><img src="images/arch.cpumode.png" alt="处理器模式" /></div></div></div><br class="figure-break" /><p>通常操作系统把虚拟地址空间划分为用户空间和内核空间，例如x86平台的Linux系统虚拟地址空间是0x00000000~0xffffffff，前3GB（0x00000000~0xbfffffff）是用户空间，后1GB（0xc0000000~0xffffffff）是内核空间。用户程序加载到用户空间，在用户模式下执行，不能访问内核中的数据，也不能跳转到内核代码中执行。这样可以保护内核，如果一个进程访问了非法地址，顶多这一个进程崩溃，而不会影响到内核和整个系统的稳定性。CPU在产生中断或异常时不仅会跳转到中断或异常服务程序，还会自动切换模式，从用户模式切换到特权模式，因此从中断或异常服务程序可以跳转到内核代码中执行。事实上，整个内核就是由各种中断和异常处理程序组成的。总结一下：在正常情况下处理器在用户模式执行用户程序，在中断或异常情况下处理器切换到特权模式执行内核程序，处理完中断或异常之后再返回用户模式继续执行用户程序。</p><p>段错误我们已经遇到过很多次了，它是这样产生的：</p><div class="orderedlist"><ol type="1"><li><p>用户程序要访问的一个VA，经MMU检查无权访问。</p></li><li><p>MMU产生一个异常，CPU从用户模式切换到特权模式，跳转到内核代码中执行异常服务程序。</p></li><li><p>内核把这个异常解释为段错误，把引发异常的进程终止掉。</p></li></ol></div></div><div class="navfooter"><hr /><table width="100%" summary="Navigation footer"><tr><td width="40%" align="left"><a accesskey="p" href="ch17s03.html">上一页</a> </td><td width="20%" align="center"><a accesskey="u" href="ch17.html">上一级</a></td><td width="40%" align="right"> <a accesskey="n" href="ch17s05.html">下一页</a></td></tr><tr><td width="40%" align="left" valign="top">3. 设备 </td><td width="20%" align="center"><a accesskey="h" href="index.html">起始页</a></td><td width="40%" align="right" valign="top"> 5. Memory Hierarchy</td></tr></table></div></body></html>