匿名
未登录
登录
百问网嵌入式Linux wiki
搜索
查看“第021课 MMU和Cache”的源代码
来自百问网嵌入式Linux wiki
名字空间
页面
讨论
更多
更多
页面选项
Read
查看源代码
历史
←
第021课 MMU和Cache
因为以下原因,您没有权限编辑本页:
您所请求的操作仅限于该用户组的用户使用:
用户
您可以查看与复制此页面的源代码。
=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 [[File:chapter21_lesson1_001.png|800px]] 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 <syntaxhighlight lang="c" > int sum() { int I; int sum =0; for(i=0; I <= 100; i++) sum += I; return sum; } </syntaxhighlight> 查看反汇编代码 [[File:chapter21_lesson1_002.png|800px]] 局部变量保存在栈中,也就是内存 <syntaxhighlight lang="c" > 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 </syntaxhighlight> 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 [[File:chapter21_lesson1_001.png|800px]] 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 [[File:chapter21_lesson1_003.png|800px]] 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 <code> appendix4-caches, write buffer</code> 585页 [[File:chapter21_lesson1_004.png|800px]] 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 [[File:chapter21_lesson1_005.png|800px]] 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 [[File:chapter21_lesson1_006.png|800px]] *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= [[File:chapter21_lesson1_001.png|800px]] 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 [[File:chapter21_lesson1_007.png|800px]] 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 [[File:chapter21_lesson1_008.png|800px]] <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 [[File:chapter21_lesson1_009.png|800px]] 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 [[File:chapter21_lesson1_0010.png|800px]] 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 [[File:chapter21_lesson1_0011.png|800px]] 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 <syntaxhighlight lang="c" > 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 </syntaxhighlight> 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。 [[File:chapter21_lesson3_001.jpg|700px]] 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。 [[File:chapter21_lesson3_002.jpg|700px]] '''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。 [[File:chapter21_lesson3_003.jpg|700px]] '''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。 [[File:chapter21_lesson3_004.jpg|700px]] 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。 [[File:chapter21_lesson3_005.jpg|700px]] *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; [[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》》'''= {| class="wikitable" |- ! ARM裸机加强版维基教程 |- |[[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]] |- |[[第018课 ADC和触摸屏]] |- |[[第019课 I2C]] |- |[[第20课 SPI]] |- |[[第21课 MMU和Cache]] |} <categorytree mode=all background-color:white;">ARM裸机加强版</categorytree> [[Category:ARM裸机加强版]]
返回至
第021课 MMU和Cache
。
导航
导航
WIKI首页
官方店铺
资料下载
交流社区
所有页面
所有产品
MPU-Linux开发板
MCU-单片机开发板
Linux开发系列视频
单片机开发系列视频
所有模块配件
Wiki工具
Wiki工具
特殊页面
页面工具
页面工具
用户页面工具
更多
链入页面
相关更改
页面信息
页面日志