第21课 MMU和Cache
第001节_Cache简述及协处理器指令
如果对MMU ICache有所了解或者知道其概念作用，那么这节课可以跳过，我们很少会使用MMU或ICache
在2440芯片里面除了CPU之外，
Instruction MMU 指令MMU；
Data MMU 数据MMU；
InstructionC ACHE(16KB) 指令cache；
Data CACHE (16KB) 数据cache
全都通过CP15协处理器来进行操作这些
协处理器的含义作用 coprocessor协助主处理器做某些事情， 比如在ARM系统中有cp0 – cp15一共16个协处理器，其中cp15负责管理mmu icache
写一个程序，0到100求和
int sum()
{
int I;
int sum =0;
for(i=0; I <= 100; i++)
sum += I;
return sum;
}
查看反汇编代码
局部变量保存在栈中，也就是内存
70: e50b3014 str r3, [fp,#-20] //这个应该就是sum 假设地址是A
78： e50b3010 str r3, [fp, #-16] //这个应该就是I 假设地址是B
ldr r3, [fp, #-16] //也就是地址B中取出值
cmp r3, #100 //跟100比较
//如果大于100程序跳到 a8 如果小于100则执行下面的for循环
从7c:
到 a4
指令保存在内存中，CPU根据这些执行进行操作
1 不断的读写地址A和B
2 不断的执行for循环里面代码
2.1 取指令
2.2 执行指令
问SDRAM非常慢，那么怎么提高程序执行效率？ 先引入一个感念，程序局部性原理
- 时间局部性:在同一段时间里，有极大的概率访问同一地址的指令或数据
(在这个for循环中同一个地址指令经常被访问到)
- 空间局部性: 有极大概率访问到相邻空间的指令/数据
我们在一个比较慢的SDRAM上能不能在CPU上开一个高速缓存，把这些指令放进高速缓存icache
指令cache只有16KB 数据cache也只有16KB 而我们的SDRAM有64MB空间，显然擦车不可能存储SDRAM中所有的内容，它只能存储一部分
cache的示意图
以数据开始为例
- 1 程序要读地址A的数据
ldr r0, [A的数据]
a. cpu以地址A查找cache，一开始cache无数据，导致cache miss
返回一系列的数据，叫做cache line: 8word 32byte
b. cpu把地址A发到SDRAM,读入cache line,成为cache file 把地址A上的数据返回给CPU 2 程序再次读取地址A的数据 a cpu以地址A查找cache,cache hit有数据直接从cache返回数据给CPU
3 程序要读地址B的数据，CPU也是以地址B查找数据，cache hint直接返回
4 cache满了，CPU访问C a cache替换，置换老的数据 b 填充新数据
数据写
write buffer
查看2410芯片手册 附录 appendix4-caches, write buffer
585页
设置为NCNB (no cache no buffer)数据直接到达硬件不经过缓冲器
比如GPFDAT寄存器CPU读寄存器的时候想读到引脚状态，不应该从cache读取老的数据，而是不断直接访问硬件返回最新的数据 对于这些寄存器应该设置为NCNB
不使用cache但数据写到buffer中，CPU就不管了 由write buffer直接进行写操作 CPU直接操作下一条指令
- 第一种不使用cache buffer 适用于直接硬件操作 gpio 得到最新数据
- 第二种 不使用cache使用write buffer， cpu把写发给buffer，cpu就可以直接下一条指令
- 第三种 WT 写通方式 使用cache不使用buffer，马上写硬件
CPU直接写给write buffer 由write执行缓慢写操作
- 第四种 写回方式
miss: cpu数据直接到达write buffer hit: cpu数据写入cache标记为dirty，让后会在合适的时机由write buffer写给硬件
- 合适的时机
cache替换时dirty会写给write buffer写给硬件
或者强制Flash cache 写给write buffer 写给硬件
下节讲协处理指令
第002节_协处理器指令_开启ICache代码示例
CPU中还有许多协处理器来协助主处理功能 比如2440有CP0 ~ CP15一共16个协处理器
CP15管理cache mmu 我们启动cache需要操作CP15 协处理器指令 先看硬件结构
CP15中也有许多寄存器 C0 ~ C15 启动C7’ 是备份寄存器
现在主CPU中某一个值R0传给CP15中的某一个寄存器
我们需要引入协处理器指令
mrc mov r1, r0
结果是r0 =传给=> r1
mrc c coprocessor =传给=> register
mcr 是把主处理器的值发给协处理器
register =传给=> coprocessor
查看一下语法格式
在2440中搜索mrc
得到语法格式
<MCR|MRC>{cond} p#,<expression1>,Rd,cn,cm{,<expression2>}
举个例子
mcr P15, 0, r1,c1
把主处理器的值发给协处理器
expression1 值设置为0，表示用不到 r1 是主cpu寄存器里面的值 c1 是cp15寄存器里的值 cm, 用不到，写为c0 expression2 值设置为0，表示用不到 cm和expression2用来区分哪一个c1，一般写为c0, 0
这条命令表示主cpu中r1 值写入 协处理器cp15 中的c1寄存器
反过来要从cp15寄存器读到主cpu寄存器
mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0
这条命令表示协处理器cp15 c1寄存器的值读出来写入主cpu的r1寄存器
2410手册中有讲cp15寄存器的作用
其中寄存器1控制寄存器 下图为介绍控制寄存器1的功能
bit12位是控制cache指令的开启或者关闭，我们等下把bit 12设置为1
c7里面有许多不同的寄存器，对应不同的功能
寄存器7表示用来操作cache，根据语法规则cm{,<expression2>} 来区分选择那个c7
接下来写程序使能cache
注意2440里有data cache和指令cache 其中data cache要启用地址映射才可以使用，只能使用指令cache
打开start.s
reset:
/* 关闭看门狗 */
ldr r0, =0x53000000
ldr r1, =0
str r1, [r0]
/* 设置MPLL, FCLK : HCLK : PCLK = 400m : 100m : 50m */
/* LOCKTIME(0x4C000000) = 0xFFFFFFFF */
ldr r0, =0x4C000000
ldr r1, =0xFFFFFFFF
str r1, [r0]
/* CLKDIVN(0x4C000014) = 0X5, tFCLK:tHCLK:tPCLK = 1:4:8 */
ldr r0, =0x4C000014
ldr r1, =0x5
str r1, [r0]
/* 设置CPU工作于异步模式 */
mrc p15,0,r0,c1,c0,0
orr r0,r0,#0xc0000000 //R1_nF:OR:R1_iA
mcr p15,0,r0,c1,c0,0
/* 设置MPLLCON(0x4C000004) = (92<<12)|(1<<4)|(1<<0)
* m = MDIV+8 = 92+8=100
* p = PDIV+2 = 1+2 = 3
* s = SDIV = 1
* FCLK = 2*m*Fin/(p*2^s) = 2*100*12/(3*2^1)=400M
*/
ldr r0, =0x4C000004
ldr r1, =(92<<12)|(1<<4)|(1<<0)
str r1, [r0]
/* 一旦设置PLL, 就会锁定lock time直到PLL输出稳定
* 然后CPU工作于新的频率FCLK
*/
/*
使能icache
*/
bl enable_icache
/* 设置内存: sp 栈 */
/* 分辨是nor/nand启动
* 写0到0地址, 再读出来
* 如果得到0, 表示0地址上的内容被修改了, 它对应ram, 这就是nand启动
* 否则就是nor启动
*/
mov r1, #0
ldr r0, [r1] /* 读出原来的值备份 */
str r1, [r1] /* 0->[0] */
ldr r2, [r1] /* r2=[0] */
cmp r1, r2 /* r1==r2? 如果相等表示是NAND启动 */
ldr sp, =0x40000000+4096 /* 先假设是nor启动 */
moveq sp, #4096 /* nand启动 */
streq r0, [r1] /* 恢复原来的值 */
bl sdram_init
//bl sdram_init2 /* 用到有初始值的数组, 不是位置无关码 */
/* 重定位text, rodata, data段整个程序 */
bl copy2sdram
/* 清除BSS段 */
bl clean_bss
/* 复位之后, cpu处于svc模式
* 现在, 切换到usr模式
*/
mrs r0, cpsr /* 读出cpsr */
bic r0, r0, #0xf /* 修改M4-M0为0b10000, 进入usr模式 */
bic r0, r0, #(1<<7) /* 清除I位, 使能中断 */
msr cpsr, r0
/* 设置 sp_usr */
ldr sp, =0x33f00000
ldr pc, =sdram
sdram:
bl uart0_init
bl print1
/* 故意加入一条未定义指令 */
und_code:
.word 0xdeadc0de /* 未定义指令 */
bl print2
swi 0x123 /* 执行此命令, 触发SWI异常, 进入0x8执行 */
//bl main /* 使用BL命令相对跳转, 程序仍然在NOR/sram执行 */
ldr lr, =halt
ldr pc, =main /* 绝对跳转, 跳到SDRAM */
halt:
b halt
如何使能icache 打开2410芯片手册
enable_icache:
/* 设置协处理器使能icache */
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
orr r0, r0, #(1<<12) /* r0 = r0 or (1<<12) */
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 //吧修改好的r0写给cp15的c1寄存器
mov pc, lr
刷屏效率变快
第003节_MMU及地址映射
对于JZ2440它有64M内存(SDRAM)，假设现在有N个APP同时运行，则：
①它们同时保存在SDRAM里；
②它们的地址各不相同；
之前我们讲过链接地址，链接地址就是程序运行时所处地址。
假设APP1所处的地址是Addr1，APP2所处的地址是Addr2，APPn所处的地址是Addrn，
则编译某个App时，需要单独指定它的的链接地址，这是一个不可能完成的任务。
因为，假如只有几个程序，为每个程序单独的指定地址还能够实现，但对于一个开放式的嵌入式系统，应用程序可能有成百上千个，你不可能重新编译这成百上千的应用程序，并且这些应用程序运行时保存的地址，也是不可预料的。
为了解决上述问题，于是就引入了虚拟地址。
也就是说虽然这些应用程序它们保存在内存中的位置各不一样，但对于CPU，它们运行时，都在同一个虚拟地址上。
举个例子，如视频中的两个hello应用程序，编译后查看反汇编代码，可以看到这两个程序的起始地址都是0x80A4。于是CPU运行两个APP时，都会去0x80A4读指令，然后经过MMU转换成Addr1、Addr2。这样，不同的APP可以在任意地址，经过MMU地址转换后，在内存上是不同的地址，互不干扰。
这里说的同时运行，并不是真正的同时运行，CPU是分时操作，APP1先工作很短一段时间，再APP2工作很短的一段时间，宏观的来看就是两个在同时工作。
因此，引入虚拟机地址的原因之一：让APP可以以同样的链接地址来编译；
在电子系统里面，内存都是有限的，无论是嵌入式系统还是电脑，比如我们的JZ2440内存就只有64M，这时假如有一个APP，需要1G的内存。应用程序执行时，不是一次性将所有代码都放入内存，而是将要运行的部分依次放入，当放入的代码指令大于64M后，会先将SDRAM里暂时用不到代码指令先置换出来，再放入需要运行的代码指令。这样尽管SDRAM很小，也可以运行内存需要很大的应用程序，而这个置换管理的工作，就是由MMU完成的。
因此，引入虚拟机地址的原因之二：让大容量APP可以在资源少的系统上运行；
此外，不同的APP之间应该相互独立，避免APP1能直接访问到APP2，以防止APP1影响APP2。
因此，引入虚拟机地址的原因之三：权限管理，禁止访问其它空间；
CPU发出虚拟地址(VA)到达MMU，MMU转换成物理地址(PA)发给硬件，那么MMU怎么根据什么将一个虚拟地址转换成物理地址？
a.表格
最简单的方法就是弄一个表格，将VA和PA对应起来，根据VA就能找到PA。这种方法优点是简单，缺点是有点浪费空间，需要同时记录VA和PA的地址。
b.改进
在表格里面，我们只保存PA，PA1对应的VA是0~1M-1，PA2对应的VA是1M~2M-1，以此类推。这样改进后，只需要原来表格容量的一半即可。最后还需要把基地址告诉MMU，启动MMU。
怎么使用MMU?
1.在内存中创建这些表格(页表)；
2.把页表基地址告诉MMU；
3.设置CP15，启动MMU；
前面图中的是一级页表，对于一级页表，条目/描述符对应的大小是1M，条目/描述符的格式可以参考S3C2410的芯片手册，MMU章节。
对于一级页表，我们只需要关系“Section”这一行，里面的PA是物理地址，剩下的AP、Domain、C、B用来进行权限管理。
简单插讲一下概念。
- 权限管理：
权限管理就是是否允许程序访问某块内存，有以下几种情况：
a.完全不允许访问；
b.允许系统模式访问，不允许用户模式访问；
c.用户模式下，根据描述符中的AP决定怎么访问；
- 域:
在CP15寄存器有个C3，用来进行域控制。
ARM9中，有16个域，每个域用2位来表示4种权限。
- 条目/描述符(AP)：
①设置domain；查看CP15 C3，确定域权限；
②如果域权限是01，使用AP来决定；
AP来自页表中的描述符，S、R来自CP15中的C1；
最后再来补充一个概念，前面我们运行多个APP，切换进程时，需要重新把0x80B4地址对应到不同的物理地址上，也就是说，每切换一个进程，你都需要重新修改下页表，这个开销非常的大，那有什么办法优化呢？
引入MVA，也就是修改后的虚拟地址。
if (VA<32M)
MVA=VA|(pid<<25);
else
MVA=VA;
当虚拟地址小于32M时，MVA和进程的PID有关，否则等于VA，这就可以解决切换进程，频繁构造页表的问题。
假设现在有两个APP，分别是APP1和APP2，链接地址都是0x80b4，PID分别是1和2。
①当CPU运行APP1时，发出VA，MVA=VA(1<<25)，对应的页表是PA=APP1所在的内存；
②当CPU运行APP2时，发出VA，MVA=VA(2<<25)，对应的页表是PA=APP2所在的内存；
虽然我们发出的都是同一个VA，但因为PID不一样，所对应的页表项也就不一样，也就不需要重新去构造页表，这样进程从APP1切换到APP2时，只需要修改PID即可，不需要去重新创建页表，这样就可以提高切换效率。
第004节_MMU代码示例
这节课开始编写MMU代码，从上一个程序的基础上修改。
首先打开Start.S，我们需要创建页表，启动MMU，页表是保存在SDRAM里面的，也就在内存初始化之后，创建页表。
/* 创建页表 */
bl create_page_table
/* 启动MMU */
bl mmu_enable
新建一个mmu.c文件。
在创建一个一级页表前，我们要先确定要映射哪些虚拟地址(VA)，映射到哪个物理地址(VB)，类型是否使用Cache和Buffer(CB)。
我们程序一开始运行是从0地址开始运行，为了保证使能MMU后，前后的地址保持一致，0地址这段我们需要映射。
在做了一些初始化后，会用到栈，如果是nor启动，栈是0x40000000开始。
VA PA CB
0 0 00
0x40000000 0x40000000 11
然后映射64M的SDRAM：
64M sdram:
VA PA CB
0x30000000 0x30000000 11
......
0x33f00000 0x33f00000 11
接着是映射寄存器，且不应该使用Cache和Buffer：
register: 0x48000000~0x5B00001C
VA PA CB
0x48000000 0x48000000 00
.......
0x5B000000 0x5B000000 00
涉及LCD的话，还有Framebuffer:
Framebuffer : 0x33c00000
VA PA CB
0x33c00000 0x33c00000 00
同时，为了验证映射成功，先修改链接脚本中的链接地址为0xB00000000，再对应的映射0xB00000000到原来的0x300000000:
link address:
VA PA CB
0xB0000000 0x30000000 11
根据上一节的“Section”格式，将每位的操作定义成宏：
#define MMU_SECDESC_AP (3<<10)
#define MMU_SECDESC_DOMAIN (0<<5)
#define MMU_SECDESC_NCNB (0<<2)
#define MMU_SECDESC_WB (3<<2)
#define MMU_SECDESC_TYPE ((1<<4) | (1<<1))
#define MMU_SECDESC_FOR_IO (MMU_SECDESC_AP | MMU_SECDESC_DOMAIN | MMU_SECDESC_NCNB | MMU_SECDESC_TYPE)
#define MMU_SECDESC_FOR_MEM (MMU_SECDESC_AP | MMU_SECDESC_DOMAIN | MMU_SECDESC_WB | MMU_SECDESC_TYPE)
设置页表的第一步，就是设置页表保存的位置在哪，随便选择一个没使用过的空间即可，大小为16K：
/* ttb: translation table base */
unsigned int *ttb = (unsigned int *)0x32000000;
第二步就是根据va,pa依次设置页表条目，这里我们写个函数来完成对应关系：
#define IO 1
#define MEM 0
void create_secdesc(unsigned int *ttb, unsigned int va, unsigned int pa, int io)
{
int index;
index = va / 0x100000;
if (io)
ttb[index] = (pa & 0xfff00000) | MMU_SECDESC_FOR_IO;
else
ttb[index] = (pa & 0xfff00000) | MMU_SECDESC_FOR_MEM;
}
然后依次映射每个页表条目：
/* 2.1 for sram/nor flash */
create_secdesc(ttb, 0, 0, IO);
/* 2.2 for sram when nor boot */
create_secdesc(ttb, 0x40000000, 0x40000000, MEM);
/* 2.3 for 64M sdram */
va = 0x30000000;
pa = 0x30000000;
for (; va < 0x34000000;)
{
create_secdesc(ttb, va, pa, MEM);
va += 0x100000;
pa += 0x100000;
}
/* 2.4 for register: 0x48000000~0x5B00001C */
va = 0x48000000;
pa = 0x48000000;
for (; va <= 0x5B000000;)
{
create_secdesc(ttb, va, pa, IO);
va += 0x100000;
pa += 0x100000;
}
/* 2.5 for Framebuffer : 0x33c00000 */
create_secdesc(ttb, 0x33c00000, 0x33c00000, IO);
/* 2.6 for link address */
create_secdesc(ttb, 0xB0000000, 0x30000000, MEM);
至此，我们完成了MMU的设置，还需要使能MMU。 在Start.S里面添加mmu_enable，需要做的步骤有： 1.把页表基址告诉cp15 2.设置域为0xffffffff, 不进行权限检查 3.使能icache,dcache,mmu 4.返回到之前位置
mmu_enable:
/* 把页表基址告诉cp15 */
ldr r0, =0x32000000
mcr p15, 0, r0, c2, c0, 0
/* 设置域为0xffffffff, 不进行权限检查 */
ldr r0, =0xffffffff
mcr p15, 0, r0, c3, c0, 0
/* 使能icache,dcache,mmu */
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
orr r0, r0, #(1<<12) /* enable icache */
orr r0, r0, #(1<<2) /* enable dcache */
orr r0, r0, #(1<<0) /* enable mmu */
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
mov pc, lr
最后修改Makefile，添加mmu.o进行测试。
