ARM中MMU使用实例

MMU使用实例：地址映射

       本开发板SDRAM的物理地址范围处于0x30000000 - 0x33FFFFFF，S3C2410/S3C2440的寄存器地址范围都处于0x48000000 - 0x5FFFFFFF。在第5章中，通过往GPBCON和GPBDAT这两个寄存器的物理地址0x56000010、0x56000014写入特定数据来驱动4个LED。

       本章的实例中，将开启MMU，并将虚拟地址空间0xA0000000 - 0xA0100000映射到物理地址空间0x56000000 - 0x56100000上，这样，就可以通过操作地址0xA0000010、0xA0000014来达到驱动这4个LED的同样的效果。

       另外，将虚拟地址空间0xB0000000 - 0xB3FFFFFF映射到物理地址空间0x30000000 - 0x33FFFFFF上，并在连接程序时将一部分代码的运行地址指定为0xB0004000（这个数值有些奇怪，看下去就会明白），看看能否使程序跳转到0xB0004000处执行。

       本章程序只使用一级页表，以段的方式进行地址映射。32位CPU的虚拟地址空间达到4GB，一级页表中使用4096个描述符来表示这4GB空间（每个描述符对应1MB的虚拟地址），每个描述符占用4字节，所以一级页表占16KB。本实例使用SDRAM的开始16KB来存放一级页表，所以剩下的内存开始物理地址为0x30004000。

       将程序代码分为两部分：第一部分的运行地址设为0，它用来初始化SDRAM、复制第二部分代码到SDRAM中（存放在0x30004000开始处）、设置页表、启动MMU，最后跳到SDRAM中（地址0xB0004000）去继续执行；第二部分的运行地址设为0xB0004000，它用来驱动LED。

   

程序源代码有3个文件：head.S、init.c、leds.c

（1）、head.S代码详解

head.S文件如下：

@*************************************************************************

@ File：head.S

@ 功能：设置SDRAM，将第二部分代码复制到SDRAM，设置页表，启动MMU，

@       然后跳到SDRAM继续执行

@*************************************************************************      

 

.text

.global _start

_start:

    ldr sp, =4096                       @ 设置栈指针，以下都是C函数，调用前需要                                        @ 设好栈

    bl  disable_watch_dog               @ 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启

    bl  memsetup                        @ 设置存储控制器以使用SDRAM

    bl  copy_2th_to_sdram               @ 将第二部分代码复制到SDRAM

    bl  create_page_table               @ 设置页表

    bl  mmu_init                        @ 启动MMU

    ldr sp, =0xB4000000                 @ 重设栈指针，指向SDRAM顶端(使用虚拟地址)

    ldr pc, =0xB0004000                 @ 跳到SDRAM中继续执行第二部分代码

halt_loop:

    b   halt_loop

       head.S中调用的函数都在init.c中实现。

       值得注意的是，在第15行开启MMU后，无论是CPU取指还是CPU读写数据，使用的都是虚拟地址。

       在第14行设置页表时，在create_page_table函数中令head.S、init.c程序所在内存的虚拟地址和物理地址一样，这使得head.S和init.c中的代码在开启MMU后能够没有任何障碍地继续运行。

 

（2）init.c代码详解。

       init.c中的disable_watch_dog、memsetup函数实现的功能在前面两章已经讨论过，不再重复，下面列出代码方便阅读。

 

/*

 * init.c: 进行一些初始化，在Steppingstone中运行

 * 它和head.S同属第一部分程序，此时MMU未开启，使用物理地址

 */

 

/* WATCHDOG寄存器 */

#define WTCON           (*(volatile unsigned long *)0x53000000)

/* 存储控制器的寄存器起始地址 */

#define MEM_CTL_BASE    0x48000000

 

 

/*

 * 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启

 */

void disable_watch_dog(void)

{

    WTCON = 0;  // 关闭WATCHDOG很简单，往这个寄存器写0即可

}

 

/*

 * 设置存储控制器以使用SDRAM

 */

void memsetup(void)

{

    /* SDRAM 13个寄存器的值 */

    unsigned long  const    mem_cfg_val[]={ 0x22011110,     //BWSCON

                                            0x00000700,     //BANKCON0

                                            0x00000700,     //BANKCON1

                                            0x00000700,     //BANKCON2

                                            0x00000700,     //BANKCON3 

                                            0x00000700,     //BANKCON4

                                            0x00000700,     //BANKCON5

                                            0x00018005,     //BANKCON6

                                            0x00018005,     //BANKCON7

                                            0x008C07A3,     //REFRESH

                                            0x000000B1,     //BANKSIZE

                                            0x00000030,     //MRSRB6

                                            0x00000030,     //MRSRB7

                                    };

    int     i = 0;

    volatile unsigned long *p = (volatile unsigned long *)MEM_CTL_BASE;

    for(; i < 13; i++)

        p[i] = mem_cfg_val[i];

}

 

copy_2th_to_sdram函数用来将第二部分代码（即由leds.c编译得来的代码）从Steppingstone中复制到SDRAM中，在连接程序时，第二部分代码的加载地址被指定为2048，重定位地址为0xB0004000，所以系统从NAND Flash启动后，第二部分代码就存储在Steppingstone中地址2048之后，需要把它复制到0x30004000处（此时尚未开启MMU，虚拟地址0xB0004000对应的物理地址在后面设为0x30004000）。Steppingstone总大小为4KB，不妨把地址2048之后的所有数据复制到SDRAM中，所以源数据的结束地址为4096。

       copy_2th_to_sdram函数的代码如下：

/*

 * 将第二部分代码复制到SDRAM

 */

void copy_2th_to_sdram(void)

{

    unsigned int *pdwSrc  = (unsigned int *)2048;

    unsigned int *pdwDest = (unsigned int *)0x30004000;

   

    while (pdwSrc < (unsigned int *)4096)

    {

        *pdwDest = *pdwSrc;

        pdwDest++;

        pdwSrc++;

    }

}

 

       剩下的create_page_table、mmu_init就是本章的重点了，前者用来设置页表，后者用来开启MMU。

       先看看create_page_table函数。它用于设置3个区域的地址映射关系。

（1）将虚拟地址0 - (1M - 1)映射到同样的物理地址去，Steppingstone（从0地址开始的4KB内存）就处于这个范围中。使虚拟地址等于物理地址，可以让Steppingstone中的程序（head.s和init.c）在开启MMU前后不需要考虑太多的事情。

（2）GPIO寄存器的起始物理地址范围为0x56000000，将虚拟地址0xA0000000 - (0xA0000000 + 1M - 1)映射到物理地址0x56000000 - (0x56000000 + 1M - 1)。

（3）本开发板中SDRAM的物理地址范围为0x30000000 - 0x33FFFFFF，将虚拟地址0xB0000000 - 0xB3FFFFFF映射到物理地址0x30000000 - 0x33FFFFFF。

       create_page_table函数代码如下：

/*

 * 设置页表

 */

void create_page_table(void)

{

 

/*

 * 用于段描述符的一些宏定义

 */

#define MMU_FULL_ACCESS     (3 << 10)   /* 访问权限 */

#define MMU_DOMAIN          (0 << 5)    /* 属于哪个域 */

#define MMU_SPECIAL         (1 << 4)    /* 必须是1 */

#define MMU_CACHEABLE       (1 << 3)    /* cacheable */

#define MMU_BUFFERABLE      (1 << 2)    /* bufferable */

#define MMU_SECTION         (2)         /* 表示这是段描述符 */

#define MMU_SECDESC         (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | \

                             MMU_SECTION)

#define MMU_SECDESC_WB      (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | \

                             MMU_CACHEABLE | MMU_BUFFERABLE | MMU_SECTION)

#define MMU_SECTION_SIZE    0x00100000

 

    unsigned long virtuladdr, physicaladdr;

    unsigned long *mmu_tlb_base = (unsigned long *)0x30000000;

   

    /*

     * Steppingstone的起始物理地址为0，第一部分程序的起始运行地址也是0，

     * 为了在开启MMU后仍能运行第一部分的程序，

     * 将0～1M的虚拟地址映射到同样的物理地址

     */

    virtuladdr = 0;

    physicaladdr = 0;

    *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \

                                            MMU_SECDESC_WB;

 

    /*

     * 0x56000000是GPIO寄存器的起始物理地址，

     * GPBCON和GPBDAT这两个寄存器的物理地址0x56000010、0x56000014，

     * 为了在第二部分程序中能以地址0xA0000010、0xA0000014来操作GPBCON、GPBDAT，

     * 把从0xA0000000开始的1M虚拟地址空间映射到从0x56000000开始的1M物理地址空间

     */

    virtuladdr = 0xA0000000;

    physicaladdr = 0x56000000;

    *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \

                                            MMU_SECDESC;

 

    /*

     * SDRAM的物理地址范围是0x30000000～0x33FFFFFF，

     * 将虚拟地址0xB0000000～0xB3FFFFFF映射到物理地址0x30000000～0x33FFFFFF上，

     * 总共64M，涉及64个段描述符

     */

    virtuladdr = 0xB0000000;

    physicaladdr = 0x30000000;

    while (virtuladdr < 0xB4000000)

    {

        *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \

                                                MMU_SECDESC_WB;

        virtuladdr += 0x100000;

        physicaladdr += 0x100000;

    }

}

       mmu_tlb_base被定义为unsigned long指针，所指向的内存为4字节，刚好是一个描述符的大小。在SDRAM的开始存放页表——第84行令mmu_tlb_base指向SDRAM的起始地址0x30000000。其中最能体现页表结构的代码是第93、104、116行。

*(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \

                                            MMU_SECDESC_WB;

*(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \

                                            MMU_SECDESC;

*(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \

                                                MMU_SECDESC_WB;

       虚拟地址的位[31：20]用于索引一级页表，找到它所对应的描述符，对应于“（virtuladdr >> 20）”。

       如图7.13所示，段描述符中位[31：20]中保存段的物理地址，对应于“physicaladdr & 0xFFF00000”。

       位[11：0]中用来设置段的访问权限，包括所属的域、AP位、C位（是否可Cache）、B位（是否使用Write buffer）——这对应于“MMU_SECDESC”或“MMU_SECDESC_WB”，它们的域都被设置为0，AP位被设为0b11（根据表7.2可知，它所在的域进行权限检查，则读写操作都被允许）。“MMU_SECDESC”中C/B位都没有设置，表示不使用Cache和Write buffer，所以映射寄存器空间时使用“MMU_SECDESC”。“MMU_SECDESC_WB”中C/B位都设置了，表示使用Cache和Write buffer，即所谓回写式，在映射Steppingstone和SDRAM等内存时使用“MMU_SECDESC_WB”。

       现在来看看mmu_init函数。create_page_table函数设置好了页表，还需要把页表地址告诉CPU，并且在开启MMU之前做好一些准备工作，比如使无效ICache和DCache，设置域访问控制寄存器等。代码的注释就可以帮助读者很好的理解mmu_init函数，不再重复。代码如下：

/*

 * 启动MMU

 */

void mmu_init(void)

{

    unsigned long ttb = 0x30000000;

 

__asm__(

    "mov    r0, #0\n"

    "mcr    p15, 0, r0, c7, c7, 0\n"    /* 使无效ICaches和DCaches */

   

    "mcr    p15, 0, r0, c7, c10, 4\n"   /* drain write buffer on v4 */

    "mcr    p15, 0, r0, c8, c7, 0\n"    /* 使无效指令、数据TLB */

   

    "mov    r4, %0\n"                   /* r4 = 页表基址 */

    "mcr    p15, 0, r4, c2, c0, 0\n"    /* 设置页表基址寄存器 */

   

    "mvn    r0, #0\n"                  

    "mcr    p15, 0, r0, c3, c0, 0\n"    /* 域访问控制寄存器设为0xFFFFFFFF，

                                         * 不进行权限检查

                                         */   

    /*

     * 对于控制寄存器，先读出其值，在这基础上修改感兴趣的位，

     * 然后再写入

     */

    "mrc    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    /* 读出控制寄存器的值 */

   

    /* 控制寄存器的低16位含义为：.RVI ..RS B... .CAM

     * R : 表示换出Cache中的条目时使用的算法，

     *     0 = Random replacement；1 = Round robin replacement

     * V : 表示异常向量表所在的位置，

     *     0 = Low addresses = 0x00000000；1 = High addresses = 0xFFFF0000

     * I : 0 = 关闭ICaches；1 = 开启ICaches

     * R、S : 用来与页表中的描述符一起确定内存的访问权限

     * B : 0 = CPU为小字节序；1 = CPU为大字节序

     * C : 0 = 关闭DCaches；1 = 开启DCaches

     * A : 0 = 数据访问时不进行地址对齐检查；1 = 数据访问时进行地址对齐检查

     * M : 0 = 关闭MMU；1 = 开启MMU

     */

   

    /* 

     * 先清除不需要的位，往下若需要则重新设置它们   

     */

                                        /* .RVI ..RS B... .CAM */

    "bic    r0, r0, #0x3000\n"          /* ..11 .... .... .... 清除V、I位 */

    "bic    r0, r0, #0x0300\n"          /* .... ..11 .... .... 清除R、S位 */

    "bic    r0, r0, #0x0087\n"          /* .... .... 1... .111 清除B/C/A/M */

 

    /*

     * 设置需要的位

     */

    "orr    r0, r0, #0x0002\n"          /* .... .... .... ..1. 开启对齐检查 */

    "orr    r0, r0, #0x0004\n"          /* .... .... .... .1.. 开启DCaches */

    "orr    r0, r0, #0x1000\n"          /* ...1 .... .... .... 开启ICaches */

    "orr    r0, r0, #0x0001\n"          /* .... .... .... ...1 使能MMU */

   

    "mcr    p15, 0, r0, c1, c0, 0\n"    /* 将修改的值写入控制寄存器 */

    : /* 无输出 */

    : "r" (ttb) );

}

    mmu_init函数在C语言中嵌入了汇编指令。

 

    第二部分代码leds.c中只有两个函数：wait和main。wait函数用来延迟时间，main函数用来循环点亮4个LED。与前面两章所用的leds.c有两点不同。

（1）操作GPBCON、GPBDAT两个寄存器时使用虚拟地址0xA0000010、0xA0000014，在init.c中已经把虚拟地址0xA0000000 - (0xA0000000 + 1M - 1)映射到物理地址0x56000000 - (0x56000000 + 1M -1)；

（2）在定义wait函数时使用了一点小技巧，将它定义成”static inline”类型，原因在源码的第15行给出。

leds.c代码如下：

/*

 * leds.c: 循环点亮4个LED

 * 属于第二部分程序，此时MMU已开启，使用虚拟地址

 */

 

#define GPBCON      (*(volatile unsigned long *)0xA0000010)     // 物理地址0x56000010

#define GPBDAT      (*(volatile unsigned long *)0xA0000014)     // 物理地址0x56000014

 

#define GPB5_out    (1<<(5*2))

#define GPB6_out    (1<<(6*2))

#define GPB7_out    (1<<(7*2))

#define GPB8_out    (1<<(8*2))

 

/*

 * wait函数加上“static inline”是有原因的，

 * 这样可以使得编译leds.c时，wait嵌入main中，编译结果中只有main一个函数。

 * 于是在连接时，main函数的地址就是由连接文件指定的运行时装载地址。

 * 而连接文件mmu.lds中，指定了leds.o的运行时装载地址为0xB4004000，

 * 这样，head.S中的“ldr pc, =0xB4004000”就是跳去执行main函数。

 */

static inline void wait(unsigned long dly)

{

    for(; dly > 0; dly--);

}

 

int main(void)

{

    unsigned long i = 0;

   

    // 将LED1-4对应的GPB5/6/7/8四个引脚设为输出

    GPBCON = GPB5_out|GPB6_out|GPB7_out|GPB8_out;      

 

    while(1){

        wait(30000);

        GPBDAT = (~(i<<5));     // 根据i的值，点亮LED1-4

        if(++i == 16)

            i = 0;

    }

 

    return 0;

}

Makefile内容如下：

objs := head.o init.o leds.o

 

mmu.bin : $(objs)

    arm-linux-ld -Tmmu.lds -o mmu_elf $^

    arm-linux-objcopy -O binary -S mmu_elf $@

    arm-linux-objdump -D -m arm mmu_elf > mmu.dis

   

%.o:%.c

    arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

 

%.o:%.S

    arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

 

clean:

    rm -f mmu.bin mmu_elf mmu.dis *.o      

    Makefile中第4行命令用来连接程序，它使用连接脚本mmu.lds来控制连接器的行为。文件mmu.lds内容如下：

SECTIONS {

  firtst    0x00000000 : { head.o init.o }

  second    0xB0004000 : AT(2048) { leds.o }

}

    连接脚本mmu.lds将程序分为两个段：first和second。前者由head.o和init.o组成，它的加载地址和运行地址都是0，所以运行前不需要重新移动代码。后者由leds.o组成，它的加载地址为2048，重定位地址为0xB0004000，这表明段second存放在编译所得映像文件地址2048处，在运行前需要将它复制到地址0xB0004000处，这由init.c中的copy_2th_to_sdram函数完成（注意，此函数将代码复制开始地址为0x30004000的内存中，这是开启MMU后的虚拟地址0xB0004000对应的物理地址）。