温故知新·内存管理单元MMU

MMU是Memory Management Unit的缩写,中文名是内存管理单元。它是一种负责处理中央处理器(CPU)的内存访问请求的计算机硬件。它的功能包括虚拟地址物理地址的转换(即虚拟内存管理)、内存保护、中央处理器高速缓存的控制等。

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总结:MMU是CPU芯片中的一个硬件模块,负责虚拟内存地址管理、内存保护等功能。

下面我们了解一下MMU中虚拟内存地址(VA)、物理内存地址(PA)和内存保护机制。

虚拟内存

现代操作系统普遍采用虚拟内存管理(Virtual Memory Management)机制,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),如下图所示。

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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),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。

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MMU将VA映射到PA是以(Page)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)。

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)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。

操作系统和MMU是这样配合的:

  • 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。
  • 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。

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。

内存保护

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)和特权模式(Privileged Mode)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。

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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)。

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通常操作系统把虚拟地址空间划分为用户空间内核空间,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。

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