利用MMU通过访问虚拟内存来实现流水灯

实验目的：

              利用MMU通过访问虚拟内存来实现流水灯

预备知识：

           （1）：熟悉协处理器的作用，CP15中的十六个寄存器，以及寄存器中的位格式和含义，相关的指令（MRC和MCR）；

                         （关于协处理器的指令，在《arm体系结构与编程》这本书上说的比较好）  

           （2）：  熟悉嵌入式汇编语法  （这方面的知识，在我上面的博客里已经有过介绍，这里不再赘述）；

                     

实验原理：

             内存管理单元（Memory Management Unit）简称MMU。它的功能是：（1）将虚拟内存转化为物理内存；（2）设置访问权限；（3）设置Cache和Write Buffer。 若没有MMU，即程序只能直接使用物理内存，若几个应用程序同时运行，这样会导致内存泄漏，造成程序的混乱，同时有了MMU，对于CPU，其发出的虚拟地址将 会变大(对于arm9,CPU可以发出4G的虚拟内存地址)  。

  在基于ARM的嵌入式应用系统中，存储系统通常是通过系统控制协处理器CP15完成的，在具体的各种存储管理机制中，可能还会用到其他的一些技术，如在MMU中除了CP15，还有使用页表和高速缓存（很重要，注意理解）等

 在MMU中的地址变换中，有四种地址映射方法：段（section）、大页（large page）、小页(small page)、极小页(tiny page)。

虚拟地址到物理地址的索引，涉及到两种索引：一级页表索引、二级页表索引。

 其中段用的一级页表索引，大页、小页和极小页用的的二级索引。

虚拟地址到物理地址的大概转换过程如下：

                   a. 根据给定的虚拟地址找到一级页表中的条目；

           b.如果此条目是段描述符，则返回物理地址，转换结束；

   c,否则如果此条目是二级页表描述符，继续利用虚拟地址在此二级页表中找到下一个条目；

   d,如果这第二个条目是页描述符，则返回物理地址，转换结束；

                   e,其他情况出错。

 补充：这里地址转换图我不在此补充，希望大家自己参考arm体系结构与编程，上面的图解已经很详细了。

 注意：条目中的每个位的含义：

                   例如 在一级页表中描述符的格式（段的条目）

                                                      3112 11 10 9 85 4  3   2   1    0 

                                                      [section base adress| 00  00 0 0 0         ]   [  AP  ]    1     [ DOMAIN ]     1       C      B      1    0           

                                                       段的物理地址的基址                                       AP 规定怎样进行检查     domain规定对某个内存是否检查            C规定是否启动cache     B规定是否启动Write Buffer ,最后两位（10）

                       代表的是段映射。  在一级页表中，最后两位01代表的是粗页条目，   11代表的是细页条目。

   例如 在一级页表中描述符的格式（粗页的条目）

                                                      3112 11 10  9 85      4   3   2     1    0 

                                                      [Corse page table base address           ]   [  AP  ]     1      [ DOMAIN ]     1       C      B      0     1           

                                                       二级页表的虚拟页表的基址                  

  例如 在一级页表中描述符的格式（细页的条目）

                                                      3112 11 10  9 85      4   3   2     1    0 

                                                      [Fine page table base address           ]   [  AP  ]     1      [ DOMAIN ]     1       C      B      0     1           

                                                       二级虚拟页表的基址                  

注意：在地址转换工程中，如有二级页表转换（粗页和细页中的条目是跟一级页表是差不多的）。

通过MMU来实现虚拟内存的访问一般步骤：

（1）建表格；（2）将表格的基址（TTB）告诉MMU （即将TTP保存到CP15的寄存器C2中） （2）启动MMU

实验代码：第一部分代码：head.S 和 init.c主要是完成一些初始化化工作，第二部分代码：leds.c 是通过虚拟内存的访问，来实现点亮一个灯

head.S:

@*************************************************************************@ 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，将sp指向stepping的顶部，    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    @ ldr pc, =mainhalt_loop:    b   halt_loop@问题一：这里sp为什么是0xB4000000@分析：SDRAM的物理内存地址范围是0x30000000~0x33ffffff,要将虚拟地址0xB0000000~0xBffffff映射到物理地址0x30000000~0x33ffffff@CPU在执行第二块代码的时候，pc就在SDRAM内了，故将sp重设为指向SDRAM的顶部@问题二：ldr pc, =0xB0004000  ，这里为什么是0xB0004000  @分析：本程序是使用段映射，只用到一级页表。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的虚拟地址空间）每个描述符占用4个字节，所以一级页表占16KB。本例使用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,然而在支持第二部分代码（即leds.c）的时候MMU已经启动，故应该使用虚拟内存.由于@虚拟地址0xB0000000~0xBffffff映射到物理地址0x30000000~0x33ffffff，虚拟内存0xB0004000对应的物理内存是0x30004000.所以@PC这个时候应该指向0xB0004000

 init.c:

/* * 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];}/* * 将第二部分代码复制到SDRAM *  将steppingstone中2048到4096空间中（leds.c就存在这一部分中） *从mmu.lds中的AT(2048)中可以知道，第二部分代码leds.c从steppingstone处开始存放 *应该运行的位置从0xB0004000开始 */void copy_2th_to_sdram(void)        //将steppingstone的2048~4096（不包括4096）的代码复制到SDRAM{//因为前64MB的内存被一级页表占用了//段的一个条目是1M 对于cpu的4GB寻址范围，需要4GB/1M=4096个一级页表条目。 一个条目占4B 所以4096*4B=16KB。//所以剩下的内存开始地址是0x30004000    unsigned int *pdwSrc  = (unsigned int *)2048;    unsigned int *pdwDest = (unsigned int *)0x30004000;        while (pdwSrc < (unsigned int *)4096)       //    {        *pdwDest = *pdwSrc;        pdwDest++;        pdwSrc++;    }}/* * 设置页表 */void create_page_table(void){/*  * 用于段描述符的一些宏定义 */   /*设置  例如 在一级页表中描述符的格式（段的条目）  31121110   9   85 4 3  2   1   0[section base adress     ]      [    AP  ]   1   [    DOMAIN    ]       1        C        B        1   0段的物理地址的基址               AP 规定怎样进行检查 domain规定对某个内存是否检查            C规定是否启动cache     B规定是否启动Write Buffer ,最后两位（10） */#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，（同时也是保证在启动MMU之前和启动MMU瞬间，虚拟地址连续并一致）     * 将0～1M的虚拟地址映射到同样的物理地址     */          //建立第一个段条目：将虚拟地址映射到物理地址，这里虚拟和物理地址都是0开始，一样//    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，     * GPFCON和GPFDAT这两个寄存器的物理地址0x56000050、0x56000054，     * 为了在第二部分程序中能以地址0xA0000050、0xA0000054来操作GPFCON、GPFDAT，     * 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     */          //建立第二个段条目：将虚拟地址0xA0000000映射到物理地址0x56000000//不设置cache和write Buffer    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     */         / /建立若干个段条目：将虚拟地址0xA0000000映射到物理地址0x56000000//设置cache和write Buffer    virtuladdr = 0xB0000000;    physicaladdr = 0x30000000;    while (virtuladdr < 0xB4000000)    {        *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | \                                                MMU_SECDESC_WB;        virtuladdr += 0x100000;        physicaladdr += 0x100000;    }}/* * 启动MMU */void mmu_init(void){    unsigned long ttb = 0x30000000;// MRC和MCR中的讲解：在《ARM休系架构与编程》中// 在我的博客中，嵌入式汇编已经讲解了/**/__asm__(    "mov    r0, #0\n"    "mcr    p15, 0, r0, c7, c7, 0\n"    /* 使无效ICaches和DCaches */    /*在CP15中，第一个常数都是0，最后一个协处理寄存器和最后一个参数（option2）的组合决定了该命令的具体功能，      不过默认情况下是C0,0*/        "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 */    /*这里的%0是引用第0个“占位符”  “占位符”是输入变量和输出变量，其是这些变量时第几个由他们在输入和输出变量中的位置决定*/    /*入式汇编程序规定把输出和输入寄存器按统一顺序编号，顺序是从输出寄存器序列从左到右从上到下以“%0”开始，分别记为%0、%1···%9    /*从下面两个冒号开始，由于输出变量没有，按照从输出寄存器序列开始从左到右从上到下的原则，TTB是第0个参数*/    /*所以这里%0代表的就是0x30000000*/    "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) );}

leds.c:

#define GPFCON(*(volatile unsigned long*)0xA0000050)#define GPFDAT  (*(volatile unsigned long*)0xA0000054)/*上面是要使用虚拟地址的在执行led.c时，就启动MMU了，使用了虚拟地址，所以在对GPFCON和GPFDAT访问的时候，CPU要通过MMU。*//* * delay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。 * volatile 是防止该代码被优化 */static inline void delay (unsigned long loops){    __asm__ volatile (            "1:\n"            "subs %0, %1, #1\n"          @loops=loops-1;            "bne 1b":"=r" (loops):"0" (loops));}/*上面是个延时函数，再次涉及到嵌入式汇编的语法知识即loops=loops 1:    subs loops,,loops,#1    bne 1b  //  :"=r" (loops)  //  :"0" (loops)*/int main(){        unsigned long i=0;while(1){        GPFCON=0x00000100;           for(i=0;i<3;i++)        {  delay(300000);                  delay(300000);           GPFCON=GPFCON<<2;          GPFDAT=0x00000000;        }}    return 0;}

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