浅谈CPU寻址内存机制

本文讲解的内容是Processor如何访问内存，TLB Cache和MMU的在Processor中扮演的角色。涉及的硬件平台是Xilinx Zynq-7000，dual-core ARM® Cortex-A9 MPCore，架构是armv7，下面分别对TLB、MMU、Processor如何访问cache和主存深入分析。

在早期计算机系统中，程序员都是直接访问物理地址进行编程，当程序出现错误时，整个系统都瘫痪掉；或者在多进程系统中，当一个进程出现问题，对属于另外一个进程的数据或者指令区域进行写操作，会导致另外一个进程崩溃。于是虚拟地址就被提出，软件使用虚拟地址访问内存，而处理器负责虚拟地址到物理地址的映射工作（地址转换时靠MMU来完成）。处理器采用多级页表来进行多次查找最终找到真正的物理地址。当处理器发现页表中找不到真正对应的物理地址时，就会发出一个异常，挂起寻址错误的进程，但是其他进程仍然可以正常工作。从虚拟地址到物理地址的转换过程可知：由于页表是存放在内存中的，使用一级页表进行地址转换时，每次读/写数据需要访问两次内存，第一次访问一级页表获得物理地址，第二次才是真正的读/写数据；使用两级页表时，每次读/写数据需要访问三次内存，访问两次页表（一级页表和二级页表）获得物理地址，第三次才是真正的读/写数据。拿Cortex-A9处理器访问两级页表举例说明，当处理器拿到一个需要访问内存的虚拟地址A，首先查找MMU里面页表地址寄存器得到页表在内存中的物理地址，然后MMU通过访问内存控制器去访问内存中的两级页表得到A1、A2两个地址，A1和A2按照一定规则组合得虚拟地址A的物理地址B，然后处理器在通过访问物理地址B得到内存数据（访问物理地址B首先需要查询cache是否命中，cache部分在前面文章已经讲解，这里不再涉及）。内存控制器结构如图1所示，cpu寻址内存物理地址过程如图2所示，注意内存控制器在cpu内部，为了方便画图讲解才放到cpu外部。

图 1

图 2

有人可能会想把页表放在三级Cache中就不同频繁的访问内存了，这样有一个问题导致不能把页表放在cache中。处理器每当进行寻址操作都要进行一次映射工作，这使得处理器访问页表的频率非常得高，有可能一秒钟需要访问几万次。因此，即使 Cache 的命中率能够达到 99% 以上，也就是说不命中率有1%，那么不命中的概率每秒也有几百次，这会导致处理器在单位时间内访问内存（因为Cache 没有命中，只能访问内存）的次数增多，降低了系统的性能。

上述的地址转换过程大大降低了CPU的性能，有没有办法改进呢？程序执行过程中，所用到的指令、数据的地址往往集中在一个很小的范围内，其中的地址、数据经常多次使用，这称为程序访问的局部性。由此，通过使用一个高速、容量相对较小的存储器来存储近期用到的页表条目（段/大页/小页/极小页描述符），以避免每次地址转换时都到内存去查找，这样可以大幅度地提高性能。这个存储器用来帮助快速地进行地址转换，称为“转译查找缓存”（TLB Cache）。当CPU发出一个虚拟地址时，MMU首先访问TLB Cache，如果TLB Cache中含有能转换这个虚拟地址的描述符，则直接利用此描述符进行地址转换和权限检查；否则MMU访问页表（页表是在主存中）找到描述符后再进行地址转换和权限检查，并将这个描述符填入TLB Cache中（如果TLB Cache已满，则利用round-robin算法找到一个条目，然后覆盖它），下次再使用这个虚拟地址时就可以直接使用TLB Cache中的地址描述符了。

TLB是一个内存管理单元用于改进虚拟地址到物理地址转换速度的缓存，位于MMU中。当cpu对数据进行读请求时,CPU根据虚拟地址(前20位)到TLB中查找，TLB中保存着虚拟地址(前20位)和页框号（页框号可以理解为页表项）的对映关系,如果匹配到虚拟地址就可以迅速找到页框号,通过页框号与虚拟地址后12位的偏移组合得到最终的物理地址，这个查表过程由MMU硬件自动完成。在分页机制中,TLB中的数据和页表的数据关联,不是由处理器维护,而是由OS来维护, TLB的刷新是通过装入处理器中的CR3（用于保存页目录表页面的物理地址，仅高20位有效）寄存器来完成，MMU的基本功能如图3所示。

图3

一般初始化OS之前需要关闭数据Cache、MMU。Cache是通过CP15（包含16个32位的寄存器，这个需要查阅Cortex-A9 Datasheet）管理的，刚上电的时候CPU还不能管理Cache，指令cache关闭与否可以选择，但是数据cache必须关闭，否则最开始的代码可能从数据cache中取数据，而这时候OCMC（片内RAM）中的数据还没有到data cache，这将导致数据预取异常。同样在cpu上电之前还没有对mmu初始化，这时候也用不到MMU，为了避免影响启动时初始化，所以需要关闭MMU。Cortex-A9启动初始化的局部代码如图4所示。

CPU访问Cache时用物理地址还是虚拟地址在下篇文章中讲解，这个是Cache的工作原理决定，同时不同原理会带来不同的问题。

图 4