ARM中MMU使用实例
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。
本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/201611/316756.htm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
bldisable_watch_dog@关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启
blmemsetup@设置存储控制器以使用SDRAM
blcopy_2th_to_sdram@将第二部分代码复制到SDRAM
blcreate_page_table@设置页表
blmmu_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:
bhalt_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_BASE0x48000000
/*
*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 longconstmem_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
};
inti = 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_SIZE0x00100000
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__(
"movr0, #0n"
"mcrp15, 0, r0, c7, c7, 0n"/*使无效ICaches和DCaches */
"mcrp15, 0, r0, c7, c10, 4n"/* drain write buffer on v4 */
"mcrp15, 0, r0, c8, c7, 0n"/*使无效指令、数据TLB */
"movr4, %0n"/* r4 =页表基址*/
"mcrp15, 0, r4, c2, c0, 0n"/*设置页表基址寄存器*/
"mvnr0, #0n"
"mcrp15, 0, r0, c3, c0, 0n"/*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
*/
"mrcp15, 0, r0, c1, c0, 0n"/*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 */
"bicr0, r0, #0x3000n"/* ..11 .... .... ....清除V、I位*/
"bicr0, r0, #0x0300n"/* .... ..11 .... ....清除R、S位*/
"bicr0, r0, #0x0087n"/* .... .... 1... .111清除B/C/A/M */
/*
*设置需要的位
*/
"orrr0, r0, #0x0002n"/* .... .... .... ..1.开启对齐检查*/
"orrr0, r0, #0x0004n"/* .... .... .... .1..开启DCaches */
"orrr0, r0, #0x1000n"/* ...1 .... .... ....开启ICaches */
"orrr0, r0, #0x0001n"/* .... .... .... ...1使能MMU */
"mcrp15, 0, r0, c1, c0, 0n"/*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 {
firtst0x00000000 : { head.o init.o }
second0xB0004000 : 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）。
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