中低端微處理器平臺軟件仿真MMU的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：嵌入式軟件目前已廣泛應(yīng)用于生活和工業(yè)中，由于其硬件開發(fā)的局限性，在微控制器（單片機）利用軟件的方式來仿真嵌入式硬件平臺的物理結(jié)構(gòu)和硬件功能目前在工業(yè)和軟件開發(fā)過程中的應(yīng)用越來越普遍，以軟件方式模擬MMU對內(nèi)存的操作，實現(xiàn)低端微處理器管理大量內(nèi)存，來代替高端的ARM內(nèi)核的微處理器能以比較快的速度進行訪問的功能，實現(xiàn)應(yīng)用上層接口比較方便的系統(tǒng)。本文先重點介紹了ARM系列微處理器中MMU的硬件結(jié)構(gòu)、MMU相關(guān)的緩存結(jié)構(gòu)以及MMU的事務(wù)處理過程。在此基礎(chǔ)上對MMU訪問的緩存硬件TLB、Cache、WriteBuffer等結(jié)構(gòu)組成和屬性進行描述，并進行軟件仿真實現(xiàn)。最后針對s3c2440微處理器與MMU所相關(guān)的行為給予軟件實現(xiàn)，并進行平臺測試。

關(guān)鍵詞：存儲管理單元（MMU）；軟件仿真；J_Link仿真器

中圖分類號：TP332

在微控制器（單片機）利用軟件的方式來仿真[1]嵌入式硬件平臺的物理結(jié)構(gòu)和硬件功能目前在工業(yè)和軟件開發(fā)過程中的應(yīng)用越來越普遍，如今大多數(shù)微處理器都集成了內(nèi)存管理單元[2-4]（以后簡稱MMU），利用MMU協(xié)處理器進行內(nèi)存的擴展，為內(nèi)存的虛擬化[5]提供支持。而且在許多單片系統(tǒng)開發(fā)的初期，由于系統(tǒng)模型構(gòu)建的復雜性、MMU硬件本身造價的限制，也不適合直接擴展硬件MMU以求得大量快速內(nèi)存的實現(xiàn)。而現(xiàn)在對于ARM處理器中MMU的學術(shù)研究大多集中于MMU硬件的體系結(jié)構(gòu)[6-7]和設(shè)計實現(xiàn)，通過軟件仿真MMU硬件的研究卻是很少，即使有所實現(xiàn)，但大多是針對于高端的平臺，成本較高。本文針對市場很少開發(fā)的中低端微處理器平臺，利用軟件的方式仿真硬件MMU的物理結(jié)構(gòu)和功能，實現(xiàn)大部分硬件MMU功能，從而使系統(tǒng)能夠容易地獲得大量較快速度的內(nèi)存。

由于市場上比較廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的處理器是帶有MMU的ARM處理器，文獻[8]提出了一種MMU的軟件模擬模型，但對于MMU的硬件結(jié)構(gòu)和運行機理的建模過于簡單。基于此，以ARM處理器的MMU協(xié)處理器為研究對象，以面對對象的方式，對MMU協(xié)處理器的組件及運行機理建立軟件模擬模型，并且結(jié)合實際需要，進行測試[9]實驗。

1 ARM系統(tǒng)中MMU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MMU屬于CPU的協(xié)處理器，它的兩個主要功能是：完成虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換以及硬件機制的內(nèi)存訪問權(quán)限檢查，使得每個用戶進程擁有自己獨立的地址空間，并通過內(nèi)存訪問權(quán)限的檢查保護每個進程所用的內(nèi)存不被其他進程破壞；主要訪問的部件[10]有：TLB（translation lookaside buffer），高速緩存Cache，WriteBuffer，快速上下文切換擴展FCSE硬件以及部分協(xié)處理器寄存器。

1.1 地址映射

ARM微處理器中的CPU核產(chǎn)生的地址稱為虛擬地址（Virtual Address），在確保訪問的數(shù)據(jù)已在物理內(nèi)存中后，需要先將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，即“地址映射”，這樣CPU才能讀寫實際的數(shù)據(jù)，而這個過程的完成便需要MMU的TLB[11]完成。MMU允許把虛擬地址映射成一個相應(yīng)的不同的物理地址，所對應(yīng)的物理地址指明了需要訪問的外部空間的位置。

1.2 內(nèi)存訪問權(quán)限檢查

當一條程序指令需要對指定的存儲區(qū)域訪問時，MMU便進行訪問權(quán)限的檢查，以保護每個進程所用的內(nèi)存不被其他進程破壞。檢查的結(jié)果包括無訪問權(quán)限、只讀權(quán)限、可讀寫權(quán)限，由CP15寄存器C3（域訪問控制）、描述符的域（Domain）、CP15寄存器C1的R/S/A位、描述符的AP位共同決定，“域”決定是否對某塊內(nèi)存進行權(quán)限檢查，“AP”決定如何對某塊內(nèi)容進行權(quán)限檢查。

1.3 TLB

TLB是MMU硬件中的緩存結(jié)構(gòu)，存放從虛擬地址到物理地址的地址查找表，由于從Virtual Address到Physical_Address的轉(zhuǎn)換需要訪問多次內(nèi)存，大大降低了CPU的性能，故提出TLB辦法改進。當CPU發(fā)出一個虛擬地址Virt_Addr[12]時，MMU首先訪問TLB。如果TLB中含有能轉(zhuǎn)換這個虛擬地址的描述符，則直接利用此描述符進行地址轉(zhuǎn)換和權(quán)限檢查，不必再做TTW（Translation Table Walk），否則MMU訪問頁表找到描述符后再進行地址轉(zhuǎn)換和權(quán)限檢查，并將這個描述符填入TLB中，下次再使用這個虛擬地址時就直接使用TLB用的描述符。使用TLB需要保證TLB中的內(nèi)容與頁表一致，在啟動MMU之前，頁表中的內(nèi)容發(fā)生變化后，尤其要注意。一般的做法是在啟動MMU之前使整個TLB無效，改變頁表時，使所涉及的虛擬地址對應(yīng)的TLB中條目無效[13]。

1.4 Cache硬件

為了提高程序的運行速度，在主存和CPU通用寄存器之間通常設(shè)置一個高速的、容量相對較小的存儲器[14]，把正在執(zhí)行的指令地址附近的一部分指令或數(shù)據(jù)從主存調(diào)入這個存儲器，供CPU在一段時間內(nèi)使用，實質(zhì)上起到緩存的作用，這便是Cache[15]。在ARM微處理器中，一般分為指令I(lǐng)Cache（Instruction Cache）和數(shù)據(jù)DCache（Data Cache），兩者區(qū)別只是所保存的數(shù)據(jù)類型有所不同。

1.5 FCSE硬件

在ARM中，快速上下文切換擴展FCSE（Fast Context Switch Extension）硬件針對不同進程的地址管理，通過修改系統(tǒng)中不同進程的虛擬地址，避免在進行進程間切換時造成的虛擬地址到物理地址的重映射，從而提高系統(tǒng)的性能。通常情況下，如果兩個進程占用的虛擬地址空間有重疊，系統(tǒng)在這兩個進程之間進行切換時，必須進行虛擬地址到物理地址的重映射。而虛擬地址到物理地址的重映射涉及到重建MMU中的頁表，而且cache及TLB中的內(nèi)容都必須使無效（通過設(shè)置協(xié)處理器寄存器的相關(guān)位）。這些操作將帶來巨大的開銷代價，一方面重建MMU和使無效cache及TLB的內(nèi)容需要很大的代價，另一方面重建cache和TLB內(nèi)容也需要很大的代價。FCSE的引入避免了這種開銷。在微處理器的物理結(jié)構(gòu)上，它位于CPU和MMU之間。如果兩個進程使用了同樣的虛擬地址空間，則對CPU而言，兩個進程使用了同樣的虛擬地址空間；快速上下文切換硬件對各進程的虛擬地址進行變換，將CPU產(chǎn)生的虛擬地址Virt_Addr轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換虛擬地址Mvirt_Addr，這樣系統(tǒng)中除了CPU之外的其他部分看到的是經(jīng)過快速上下文切換機構(gòu)變換的轉(zhuǎn)換虛擬地址。快速上下文切換機構(gòu)就可以把兩個進程的相同虛擬地址空間變換成不同的虛擬地址空間，在進行進程間切換時就不需要進行虛擬地址到物理地址的重映射。

1.6 寄存器

在ARM微處理器中定義了16種CP寄存器，表1給出了不同寄存器的功能：

表1 CP15協(xié)處理器的寄存器列表

要操作CP15寄存器組需使用MCR和MRC指令，要訪問則必須在特權(quán)模式下利用該指令來進行，其他的方式訪問CP1寄存器都會產(chǎn)生未定義指令異常。C1、C2、C3、C5、C6、C8和C10寄存器是與MMU操作有關(guān)的，而CPU則是通過執(zhí)行MRC和MCR指令，完成對上述寄存器的配置或讀寫，從而達到控制MMU硬件行為的目的。

2 ARM中MMU工作原理及實現(xiàn)

2.1 ARM整體結(jié)構(gòu)

我們首先整體建立MMU數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后針對每一部件逐一實現(xiàn)。

MMU數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

基于TLB，TTW，訪問控制，CACHE，Write Buffer，Read Buffer等MMU要素與具體處理器類型無關(guān)的，我們首先進行模擬，并且由于它實現(xiàn)了并且提供了較統(tǒng)一的接口，下面就可以較靈活地組合實現(xiàn)具體MMU模擬。

2.2 TLB的實現(xiàn)

TLB是集成到MMU硬件中的存儲結(jié)構(gòu)，主要保存地址映射信息和訪問控制信息，地址轉(zhuǎn)換信息只有在該表中查詢不到時，才通過TTW在內(nèi)存中查找。因此，每一個TLB的表項的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可設(shè)計如下：

結(jié)構(gòu)體tlb_entry_s中的項mvirt_addr表示的是轉(zhuǎn)換虛擬地址，也就是從CPU提供的虛擬地址經(jīng)過FCSE以后的轉(zhuǎn)換虛擬地址；項phys_addr表示與虛擬地址相對應(yīng)的物理地址，該物理地址就是用來訪問外部存儲器中的數(shù)據(jù)或指令的真實地址；項map_type表示物理地址phys_addr所對應(yīng)內(nèi)存塊的類型，可以是段、大頁、小頁和微頁。不同的內(nèi)存塊類型，其對應(yīng)的大小不相同。而不同的接口函數(shù)如下：

2.3 TTW的實現(xiàn)

ARM系統(tǒng)中通過2級映射，實現(xiàn)了頁式地址轉(zhuǎn)換。其接口函數(shù)如下：

fault_t translate（m_state *state，unsigned int virt_addr， tlb_s *tlb_s， tlb_entry_s **tlb）

2.4 訪問控制的實現(xiàn)（接口函數(shù)）

void fault_t check_access（m_state *state，unsigned int virt_addr， tlb_entry_s *tlb，int read）；

2.5 Cache的實現(xiàn)

ARM系統(tǒng)中一般只實現(xiàn)組相聯(lián)Cache。組相聯(lián)Cache分成多組，一個組有包括多個Cache line，一個32位地址可以由下圖表示。

TagSetWord10

圖1

Cache緩存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以定義如下：

Cache接口函數(shù)

2.6 Write Buffer的實現(xiàn)

WriteBuffer高速緩存用于保存CPU需要寫回外部存儲中的數(shù)據(jù)。當CPU需要把數(shù)據(jù)寫回到外部存儲時，并且所寫的數(shù)據(jù)可以緩存時，那么MMU先把數(shù)據(jù)寫到WriteBuffer中，到適當?shù)臅r候再把WriteBuffer中的數(shù)據(jù)寫回到外部存儲，這樣可以避免降低CPU的速度來完成寫操作。所以用一個循環(huán)隊列模擬Write Buffer。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

接口函數(shù)如下：

2.7 Read Buffer的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：

接口函數(shù)如下：

2.8 ARM MMU的組成結(jié)構(gòu)

ARM的MMU分成指令和數(shù)據(jù)兩部分。指令包括一個指令TLB和一個指令CACHE，數(shù)據(jù)包括一個數(shù)據(jù)TLB，兩個數(shù)據(jù)CACHE（main CACHE和mini CACHE），一個Write Buffer和一個Read Buffer。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義：

3 測試與結(jié)論

S3C2440是由三星公司生產(chǎn)的基于ARM920T[17]內(nèi)核的一款16/32-bitRISC先進微處理器，ARM920T實現(xiàn)了MMU，AMBABUS以及哈佛緩存體系構(gòu)架通過分離的16Kb指令緩存和16Kb數(shù)據(jù)緩存，并采取新的總線構(gòu)架（AMBA），0.13μmCMOS制造工藝，能耗低，適用于大多數(shù)中低端平臺。而本次實驗便是以S3C2440系列的S3C2440AZ-40處理器和對應(yīng)的J-Link仿真器為例，進行程序的測試與結(jié)果的分析。我們在開發(fā)板上運行mmu_init，啟動MMU，將部分虛擬地址空間映射到物理地址空間，然后通過操作地址用以驅(qū)動LED燈。然后運行上述程序，將內(nèi)核編譯的u-boot文件在J_Link仿真器上調(diào)試，觀察兩者的差別。最終實驗可見，利用MMU仿真模型設(shè)計實現(xiàn)的模塊和實際硬件的工作過程是類似的。操作系統(tǒng)內(nèi)核文件u-boot被仿真器啟動運行后，MMU模塊很好地完成了運行過程中CPU所有的訪問存儲器請求，完成了地址映射功能，基本達到了仿真實現(xiàn)MMU并應(yīng)用于嵌入式仿真器中的目的。

4 結(jié)束語

本文以MMU硬件構(gòu)架和功能實現(xiàn)為基礎(chǔ)，設(shè)計算法并實現(xiàn)MMU 模塊。最后把所實現(xiàn)的MMU模塊應(yīng)用于仿真器中，編譯測試例子進行驗證。本文在研究MMU仿真實現(xiàn)過程中，重點放在對MMU仿真過程的分析，期望建立正確的MMU仿真模型，從而給完整實現(xiàn)MMU模塊并應(yīng)用于仿真器中提供重要的保證。MMU是微處理器芯片的一個協(xié)處理器，只能屬于微處理器中的一小部分，還有很多個其他控制器，要實現(xiàn)完整的部件，軟件仿真還有很多。和實現(xiàn)MMU協(xié)處理器一樣，其他的部件需要正確描述控制器所用到的緩存結(jié)構(gòu)，更復雜的是正確描述控制器處理事務(wù)的詳細過程。這樣，仿真實現(xiàn)穩(wěn)定和正確的控制器就顯得尤其重要，這在一定程度上存在著一些不足，因為運行一個內(nèi)核文件沒有出現(xiàn)問題，并不能保證運行其他系統(tǒng)程序或者應(yīng)用程序時不發(fā)生一些異常情況，而一些異?？赡軙斐上到y(tǒng)崩潰。所以還有更多的需要考慮，那也是后續(xù)的事情了。

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作者簡介：張加林（1992-），男，河南開封人，本科，研究方向：信電仿真；王海琳（1991-），男，河北廊坊人，本科，研究方向：信電仿真。

作者單位：中國礦業(yè)大學 孫越崎學院，江蘇徐州 221116