“第021课 MMU和Cache”的版本间的差异

来自百问网嵌入式Linux wiki
 
（未显示3个用户的26个中间版本）
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<div body style="width:800px;">
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=第001节_Cache简述及协处理器指令=
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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
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[[File:chapter21_lesson1_001.png|800px]]
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在2440芯片里面除了CPU之外，
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Instruction MMU 指令MMU；
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Data MMU 数据MMU；
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InstructionC ACHE(16KB) 指令cache；
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Data CACHE (16KB) 数据cache
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全都通过CP15协处理器来进行操作这些
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协处理器的含义作用
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coprocessor协助主处理器做某些事情，
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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
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写一个程序，0到100求和
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<syntaxhighlight lang="c" >
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int sum()
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{
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int I;
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int sum =0;
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for(i=0; I <= 100; i++)
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sum += I;
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return sum;
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}
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</syntaxhighlight>
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查看反汇编代码
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[[File:chapter21_lesson1_002.png|800px]]
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局部变量保存在栈中，也就是内存
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<syntaxhighlight lang="c" >
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70: e50b3014    str r3, [fp,#-20]  //这个应该就是sum 假设地址是A
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78： e50b3010 str  r3,  [fp, #-16] //这个应该就是I 假设地址是B
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ldr  r3,  [fp, #-16] //也就是地址B中取出值
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cmp  r3, #100 //跟100比较
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//如果大于100程序跳到  a8 如果小于100则执行下面的for循环
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从7c:
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到 a4
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指令保存在内存中，CPU根据这些执行进行操作
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</syntaxhighlight>
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1 不断的读写地址A和B
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2 不断的执行for循环里面代码
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2.1 取指令
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2.2 执行指令
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问SDRAM非常慢，那么怎么提高程序执行效率？
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先引入一个感念，程序局部性原理
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*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
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(在这个for循环中同一个地址指令经常被访问到)
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*空间局部性: 有极大概率访问到相邻空间的指令/数据
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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
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[[File:chapter21_lesson1_001.png|800px]]
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指令cache只有16KB 数据cache也只有16KB
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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
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[[File:chapter21_lesson1_003.png|800px]]
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cache的示意图
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以数据开始为例
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*1 程序要读地址A的数据
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ldr r0, [A的数据]
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a. cpu以地址A查找cache，一开始cache无数据，导致cache miss
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返回一系列的数据，叫做cache line:  8word  32byte
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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
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2 程序再次读取地址A的数据
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a  cpu以地址A查找cache,cache hit有数据直接从cache返回数据给CPU
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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
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4 cache满了，CPU访问C
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a cache替换，置换老的数据
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b 填充新数据
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数据写
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write buffer
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查看2410芯片手册 附录 <code> appendix4-caches, write buffer</code>
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585页
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[[File:chapter21_lesson1_004.png|800px]]
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设置为NCNB (no cache  no buffer)数据直接到达硬件不经过缓冲器
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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
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对于这些寄存器应该设置为NCNB
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[[File:chapter21_lesson1_005.png|800px]]
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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
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CPU直接操作下一条指令
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[[File:chapter21_lesson1_006.png|800px]]
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*第一种不使用cache buffer 适用于直接硬件操作 gpio 得到最新数据
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*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
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*第三种 WT 写通方式 使用cache不使用buffer，马上写硬件
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CPU直接写给write buffer
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由write执行缓慢写操作
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*第四种 写回方式
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miss: cpu数据直接到达write buffer
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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
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*合适的时机
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cache替换时dirty会写给write buffer写给硬件
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或者强制Flash cache 写给write buffer 写给硬件
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下节讲协处理指令
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=第002节_协处理器指令_开启ICache代码示例=
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[[File:chapter21_lesson1_001.png|800px]]
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CPU中还有许多协处理器来协助主处理功能
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比如2440有CP0 ~ CP15一共16个协处理器
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CP15管理cache mmu
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我们启动cache需要操作CP15
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协处理器指令
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先看硬件结构
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[[File:chapter21_lesson1_007.png|800px]]
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CP15中也有许多寄存器 C0 ~ C15 启动C7’ 是备份寄存器
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现在主CPU中某一个值R0传给CP15中的某一个寄存器
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我们需要引入协处理器指令
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mrc
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mov r1, r0
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结果是r0 =传给=> r1
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mrc
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c coprocessor =传给=> register
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mcr 是把主处理器的值发给协处理器
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register =传给=> coprocessor
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查看一下语法格式
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在2440中搜索mrc
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得到语法格式
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[[File:chapter21_lesson1_008.png|800px]]
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<MCR|MRC>{cond} p#,<expression1>,Rd,cn,cm{,<expression2>}
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举个例子
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mcr P15, 0, r1,c1
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把主处理器的值发给协处理器
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expression1 值设置为0，表示用不到
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r1 是主cpu寄存器里面的值
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c1 是cp15寄存器里的值
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cm, 用不到，写为c0
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expression2 值设置为0，表示用不到
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cm和expression2用来区分哪一个c1，一般写为c0, 0
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这条命令表示主cpu中r1 值写入 协处理器cp15 中的c1寄存器
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反过来要从cp15寄存器读到主cpu寄存器
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mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0
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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
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2410手册中有讲cp15寄存器的作用
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[[File:chapter21_lesson1_009.png|800px]]
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其中寄存器1控制寄存器
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下图为介绍控制寄存器1的功能
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[[File:chapter21_lesson1_0010.png|800px]]
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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
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c7里面有许多不同的寄存器，对应不同的功能
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[[File:chapter21_lesson1_0011.png|800px]]
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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
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接下来写程序使能cache
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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
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打开start.s
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<syntaxhighlight lang="c" >
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reset:
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/* 关闭看门狗 */
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ldr r0, =0x53000000
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ldr r1, =0
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str r1, [r0]
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/* 设置MPLL, FCLK : HCLK : PCLK = 400m : 100m : 50m */
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/* LOCKTIME(0x4C000000) = 0xFFFFFFFF */
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ldr r0, =0x4C000000
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ldr r1, =0xFFFFFFFF
 +
str r1, [r0]
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/* CLKDIVN(0x4C000014) = 0X5, tFCLK:tHCLK:tPCLK = 1:4:8  */
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ldr r0, =0x4C000014
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ldr r1, =0x5
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str r1, [r0]
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/* 设置CPU工作于异步模式 */
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mrc p15,0,r0,c1,c0,0
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orr r0,r0,#0xc0000000  //R1_nF:OR:R1_iA
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mcr p15,0,r0,c1,c0,0
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 +
/* 设置MPLLCON(0x4C000004) = (92<<12)|(1<<4)|(1<<0)
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*  m = MDIV+8 = 92+8=100
 +
*  p = PDIV+2 = 1+2 = 3
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*  s = SDIV = 1
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*  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
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* 然后CPU工作于新的频率FCLK
 +
*/
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/*
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使能icache
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*/
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bl enable_icache
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 +
/* 设置内存: sp 栈 */
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/* 分辨是nor/nand启动
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* 写0到0地址, 再读出来
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* 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
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* 否则就是nor启动
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*/
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mov r1, #0
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ldr r0, [r1] /* 读出原来的值备份 */
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str r1, [r1] /* 0->[0] */
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ldr r2, [r1] /* r2=[0] */
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cmp r1, r2  /* r1==r2? 如果相等表示是NAND启动 */
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ldr sp, =0x40000000+4096 /* 先假设是nor启动 */
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moveq sp, #4096  /* nand启动 */
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streq r0, [r1]  /* 恢复原来的值 */
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bl sdram_init
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//bl sdram_init2 /* 用到有初始值的数组, 不是位置无关码 */
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/* 重定位text, rodata, data段整个程序 */
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bl copy2sdram
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/* 清除BSS段 */
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bl clean_bss
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 +
/* 复位之后, cpu处于svc模式
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* 现在, 切换到usr模式
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*/
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mrs r0, cpsr        /* 读出cpsr */
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bic r0, r0, #0xf    /* 修改M4-M0为0b10000, 进入usr模式 */
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bic r0, r0, #(1<<7)  /* 清除I位, 使能中断 */
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msr cpsr, r0
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/* 设置 sp_usr */
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ldr sp, =0x33f00000
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ldr pc, =sdram
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sdram:
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bl uart0_init
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bl print1
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/* 故意加入一条未定义指令 */
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und_code:
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.word 0xdeadc0de  /* 未定义指令 */
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bl print2
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swi 0x123  /* 执行此命令, 触发SWI异常, 进入0x8执行 */
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//bl main  /* 使用BL命令相对跳转, 程序仍然在NOR/sram执行 */
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ldr lr, =halt
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ldr pc, =main  /* 绝对跳转, 跳到SDRAM */
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halt:
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b halt
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如何使能icache 打开2410芯片手册
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enable_icache:
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/* 设置协处理器使能icache */
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mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
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orr r0, r0, #(1<<12)  /* r0 = r0 or (1<<12) */
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mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 //吧修改好的r0写给cp15的c1寄存器
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mov pc, lr
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</syntaxhighlight>
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刷屏效率变快
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= 第003节_MMU及地址映射 =
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对于JZ2440它有64M内存(SDRAM)，假设现在有N个APP同时运行，则：
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①它们同时保存在SDRAM里；
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②它们的地址各不相同；
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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。
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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，
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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。
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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。
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为了解决上述问题，于是就引入了'''虚拟地址'''。
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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。
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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。
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[[File:chapter21_lesson3_001.jpg|700px]]
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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。
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'''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；'''
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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。
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[[File:chapter21_lesson3_002.jpg|700px]]
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'''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；'''
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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。
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'''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；'''
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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？
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a.表格
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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。
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b.改进
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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。
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[[File:chapter21_lesson3_003.jpg|700px]]
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'''怎么使用MMU?'''
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1.在内存中创建这些表格(页表)；
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2.把页表基地址告诉MMU；
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3.设置CP15，启动MMU；
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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。
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[[File:chapter21_lesson3_004.jpg|700px]]
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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。
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简单插讲一下概念。
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*权限管理：
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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：
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a.完全不允许访问；
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b.允许系统模式访问，不允许用户模式访问；
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c.用户模式下，根据描述符中的AP决定怎么访问；
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*域:
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在CP15寄存器有个C3，用来进行域控制。
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ARM9中，有16个域，每个域用2位来表示4种权限。
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[[File:chapter21_lesson3_005.jpg|700px]]
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*条目/描述符(AP)：
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①设置domain；查看CP15 C3，确定域权限；
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②如果域权限是01，使用AP来决定；
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AP来自页表中的描述符，S、R来自CP15中的C1；
 +
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[[File:chapter21_lesson3_006.jpg|700px]]
 +
 +
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。
 +
 +
<syntaxhighlight lang="c" >
 +
if (VA<32M)
 +
    MVA=VA|(pid<<25);
 +
else
 +
    MVA=VA;
 +
</syntaxhighlight>
 +
 +
 +
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。
 +
 +
<syntaxhighlight lang="c" >
 +
/* 创建页表 */
 +
bl create_page_table
 +
 +
/* 启动MMU */
 +
bl mmu_enable
 +
</syntaxhighlight>
 +
 +
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。
 +
<syntaxhighlight lang="c" >
 +
    VA                  PA                  CB
 +
    0                      0                    00
 +
    0x40000000    0x40000000    11
 +
</syntaxhighlight>
 +
 +
然后映射64M的SDRAM： 
 +
<syntaxhighlight lang="c" >
 +
    64M sdram:
 +
    VA                  PA                  CB
 +
    0x30000000    0x30000000    11
 +
    ......
 +
    0x33f00000    0x33f00000    11
 +
</syntaxhighlight>
 +
 +
接着是映射寄存器，且不应该使用Cache和Buffer：
 +
<syntaxhighlight lang="c" >
 +
    register: 0x48000000~0x5B00001C
 +
    VA                  PA                  CB
 +
    0x48000000    0x48000000    00
 +
    .......
 +
    0x5B000000    0x5B000000    00
 +
</syntaxhighlight>
 +
 +
涉及LCD的话，还有Framebuffer:
 +
<syntaxhighlight lang="c" >
 +
    Framebuffer : 0x33c00000
 +
    VA                  PA                  CB
 +
    0x33c00000    0x33c00000    00
 +
</syntaxhighlight>
 +
 +
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:
 +
<syntaxhighlight lang="c" >
 +
    link address:
 +
    VA                  PA                  CB
 +
    0xB0000000    0x30000000    11
 +
</syntaxhighlight>
 +
 +
根据上一节的“Section”格式，将每位的操作定义成宏：
 +
<syntaxhighlight lang="c" >
 +
#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)
 +
</syntaxhighlight>
 +
 +
 +
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：
 +
<syntaxhighlight lang="c" >
 +
/* ttb: translation table base */
 +
unsigned int *ttb = (unsigned int *)0x32000000;
 +
</syntaxhighlight>
 +
 +
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：
 +
<syntaxhighlight lang="c" >
 +
#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;
 +
}
 +
</syntaxhighlight>
 +
 +
然后依次映射每个页表条目：
 +
<syntaxhighlight lang="c" >
 +
/* 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);
 +
</syntaxhighlight>
 +
 +
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
 +
 +
<syntaxhighlight lang="c" >
 +
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
 +
</syntaxhighlight>
 +
 +
最后修改Makefile，添加mmu.o进行测试。
  
 
='''《《所有章节目录》》'''=
 
='''《《所有章节目录》》'''=
 +
</div>
 
<categorytree mode=all background-color:white;">ARM裸机加强版</categorytree>
 
<categorytree mode=all background-color:white;">ARM裸机加强版</categorytree>
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{{#categorytree:ARM裸机加强版|hideroot|mode=pages}}
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[[Category:MMU]]
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[[Category:Cache]]

2018年4月23日 (一) 11:11的最新版本

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 Chapter21 lesson1 001.png 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

Chapter21 lesson1 002.png

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

Chapter21 lesson1 001.png

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

Chapter21 lesson1 003.png 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

Chapter21 lesson1 004.png

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

Chapter21 lesson1 005.png

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

Chapter21 lesson1 006.png

  • 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

Chapter21 lesson1 001.png

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

Chapter21 lesson1 007.png

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 Chapter21 lesson1 008.png 

<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

Chapter21 lesson1 009.png

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

Chapter21 lesson1 0010.png 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

Chapter21 lesson1 0011.png

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。 Chapter21 lesson3 001.jpg

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。 Chapter21 lesson3 002.jpg

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。

Chapter21 lesson3 003.jpg


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。 Chapter21 lesson3 004.jpg

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。

Chapter21 lesson3 005.jpg


  • 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；

Chapter21 lesson3 006.jpg

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。

《《所有章节目录》》

▼ ARM裸机加强版
  第001课 不要再用老方法学习单片机和ARM
  第002课 ubuntu环境搭建和ubuntu图形界面操作(免费)
  第003课 linux入门命令
  第004课 vi编辑器
  第005课 linux进阶命令
  第006课 开发板熟悉与体验(免费)
  第007课 裸机开发步骤和工具使用(免费))
  第008课 第1个ARM裸板程序及引申(部分免费)
  第009课 gcc和arm-linux-gcc和Makefile
  第010课 掌握ARM芯片时钟体系
  第011课 串口(UART)的使用
  第012课 内存控制器与SDRAM
  第013课 代码重定位
  第014课 异常与中断
  第015课 Nor Flash
  第016课 Nand Flash
  第017课 LCD编程
  第018课 ADC和触摸屏
  第019课 I2C
  第020课 SPI裸板
  第021课 MMU和Cache
  第022课 传感器
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