ARM920T_内核MMU与cache应用分析

一、cache分类及应用场合

cache是内存和CPU之间的高速缓冲存储器，其分为icache（指令缓存）和dcache（数据缓存）。如果开启了cache，当CPU运行时会将正在运行的指令地址附近的指令或者数据调入cache，这样当运行下一条指令或用到下一条数据时直接从cache中查找，如果查找不到再访问内存，以此加快CPU执行速度。icache可以直接开启，而dcache需要开启MMU之后才能开启。

在启动文件中开启icache的代码可以放在时钟速度配置完成之后，代码如下：

    bl enable_icache

enable_icache:

    mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0

    orr r0, r0, #(1<<12)

    mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0

    mov pc, lr

二、MMU的应用

当CPU执行小的应用程序时，只要代码大小在芯片存储容量范围内，CPU每次都可以直接访问内存执行指令，但是当代码很大超出芯片存储容量时，则不能运行。此时需要MMU（内存管理单元），MMU可以将物理地址重映射，开启MMU之后CPU每次访问的都是虚拟地址，而每一个虚拟地址或者多个虚拟地址对应一个物理地址。32位的CPU虚拟地址范围为4G，映射方式为在物理存储地址上建立映射表。每个表有多个条目，每个条目大小1M，所以表的大小为：    条目数 = 4G/1M = 4096 ，一个条目32位占4Byte， 表大小 = 4096 * 4Byte = 16KB。因而只要在nand上占据16KB的空间即可重映射4G的访问范围。

CPU发出的VA(虚拟地址)经过CP13的C13转换为MVA（modified virtual address），MMU所看到的地址其实是MVA，通常外在来看不加以细分，权当VA处理。MMU常用section转换方式进行虚拟地址到物理地址的转换，其格式如下：

高12位为PA（物理地址）的高12位，AP设置访问权限（常设置为11，特权模式/用户模式下可读可写，所有模式下允许任何访问），domain（域设置，arm9有16个域，此处设置0选择域0），C（是否开启cache），B（是否开启Write buffer），其他位用默认值。

重映射代码如下：

#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)

#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;

}

/* 

 *    VA           PA           CB

 *    0            0            00

 *    0x40000000   0x40000000   11

 *

 *    64M sdram:

 *    0x30000000   0x30000000   11

 *    ......

 *    0x33f00000   0x33f00000   11

 *    

 *    register: 0x48000000~0x5B00001C

 *    0x48000000   0x48000000   00

 *    .......

 *    0x5B000000   0x5B000000   00

 *

 *    Framebuffer : 0x33c00000

 *    0x33c00000   0x33c00000   00

 *

 *    link address:

 *    0xB0000000   0x30000000   11

 */

void create_page_table(void)

{

/* ttb: translation table base */

unsigned int *ttb = (unsigned int *)0x32000000;

unsigned int va, pa;

int index;

/* 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);

}

启动文件中代码如下：

/* 创建页表 */

bl create_page_table

/* 启动MMU */

bl mmu_enable

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

有几个需要注意的关键点：

1. 由于代码重定位脚本中将nand中的代码重定位至0xB0000000，所以应该在重定位之前MMU进行地址的重映射，将0XB0000000映射到0X30000000，也就是nnad启动时SDRAM的起始地址，有关重定位参考此链接S3C2440代码重定位分析

2.在makefile时注意将mmu.c放至靠前的位置，必须在nand的前4K范围完成地址重映射，代码重定位，否则芯片将直接无法启动。

3.当使用NOR启动时，0地址映射时不能开启cache和write buffer。

代码重定位脚本：

SECTIONS{

. = 0xB0000000;

__code_start = .;

. = ALIGN(4);

.text  : {*(.text)}

. = ALIGN(4);

.rodata : {*(.rodata)}

. = ALIGN(4);

.data  : {*(.data)}

. = ALIGN(4);

__bss_start = .;

.bss : { *(.bss) *(.COMMON) }

_end = .;

}