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嵌入式系統(tǒng)教案武漢創(chuàng)維特信息技術有限企業(yè)

10/10/第1頁提要1324ARM存放系統(tǒng)概述快速上下文切換技術高速緩沖區(qū)和寫緩沖區(qū)ARM存放器管理單元第五章ARM存放系統(tǒng)第2頁2ARM存放系統(tǒng)概述與其它中低級單片機不一樣，ARM處理器中普通都包含一個存放器管理部件，用于對存放器管理。為了適應不一樣嵌入式應用，ARM存放系統(tǒng)體系結構存在很多差異。簡單能夠使用向單片機系統(tǒng)中使用平板式地址映射機制即可；而一些復雜系統(tǒng)中則可能包含各種技術來提供功效強大存放系統(tǒng)。ARM存放系統(tǒng)概述第3頁3ARM所使用存放系統(tǒng)技術系統(tǒng)中可能包含各種類型存放器件，如FLASH、ROM、SDRAM、SRAM等；而且不一樣類型存放器件要求不一樣速度、數(shù)據(jù)寬度等；經(jīng)過CACHE和WRITEBUFFER技術縮小處理器和存放系統(tǒng)速度差異，從而提升系統(tǒng)性能；內存管理部件使用內存映射技術實現(xiàn)虛擬空間到物理空間映射。引入存放保護機制，增強系統(tǒng)安全性；引入一些機制確保I/O操作映射成內存操作后，各種I/O操作能夠得到正確結果。ARM存放系統(tǒng)概述第4頁4S3C44B0X存放器組織示意圖ARM存放器管理單元第5頁5用于存放管理系統(tǒng)控制協(xié)處理存放器CP15在基于ARM嵌入式系統(tǒng)中，存放系統(tǒng)通常使用CP15來完成存放器大部分管理工作；除了CP15之外，在詳細存放機制中可能還會用到其它技術如：頁表技術等。CP15能夠保護16個32位存放器，編號0－15。實際上對于一些編號存放器可能對應有多個物理存放器，在指令中指定特定標志位來區(qū)分對應存放器。ARM存放器管理單元第6頁6CP15存放器列表－1存放器編號基本作用在MMU中作用0ID編碼（只讀）ID碼和Cache類型1控制位各種控制位2存放保護和控制地址轉換表基地址3存放保護和控制域訪問控制位4存放保護和控制保留5存放保護和控制內存失效狀態(tài)6存放保護和控制內存失效地址ARM存放器管理單元第7頁7CP15存放器列表－2存放器編號基本作用在MMU中作用7高速緩存和寫緩存高速緩存和寫緩存控制8存放保護和控制TLB控制9高速緩存和寫緩存高速緩存鎖定10存放保護和控制TLB鎖定11保留

12保留

ARM存放器管理單元第8頁8CP15存放器列表－3存放器編號基本作用在MMU中作用13進程標識符進程標識符14保留

15因不一樣設計而異因不一樣設計而異ARM存放器管理單元第9頁9訪問CP15存放器指令訪問CP15存放器指令有以下兩條：MCR Register->CoprocessorRegisterMRC CoprocessorRegister->Register注意：這兩條指令只能在系統(tǒng)模式下執(zhí)行；在用戶模式下執(zhí)行該指令將引發(fā)異常。ARM存放器管理單元第10頁10MCR訪問CP15指令語法

MCR{cond}p15,<op1>,<Rd>,<CRn>,<CRm>{,<op2>}MCR2p15,<op1>,<Rd>,<CRn>,<CRm>{,<op2>}

OP1為協(xié)處理器將執(zhí)行操作代碼。對于CP15來說，該值必須為0；Rd為源存放器，其值將被傳送到協(xié)處理器中；該存放器不能為PC；CRn是協(xié)處理器目標存放器，能夠是C0-15；CRm是附加目標存放器或源操作數(shù)存放器，用于區(qū)分同一編號不一樣物理存放器，當指令中不需要附加信息時要將C0指定為CRm；OP2也提供附加信息，用于區(qū)分同一編號不一樣物理存放器，當指令中不需要附加信息時，能夠省略或者將其置0。ARM存放器管理單元第11頁11MCR訪問CP15示例 MCR P15,0,R4,C1,C0,0上述指令從ARM存放器R4中將數(shù)據(jù)傳送到協(xié)處理器CP15存放器C1中。其中R4為ARM存放器，存放源操作數(shù)；C1和C0為協(xié)處理器存放器，為目標存放器；操作碼1為0，操作碼附加信息也為0。ARM存放器管理單元第12頁12MRC訪問CP15指令語法

MRC{cond}p15,<op1>,<Rd>,<CRn>,<CRm>{,<op2>}MRC2p15,<op1>,<Rd>,<CRn>,<CRm>{,<op2>}

OP1為協(xié)處理器將執(zhí)行操作代碼。對于CP15來說，該值必須為0；Rd為目標存放器，指令處理結果將存放在該存放器中；CRn是協(xié)處理器存放器，存放第一個源操作數(shù)；CRm是附加源操作數(shù)存放器，用于區(qū)分同一編號不一樣物理存放器，當指令中不需要附加信息時要將C0指定為CRm；OP2也提供附加信息，用于區(qū)分同一編號不一樣物理存放器，當指令中不需要附加信息時，能夠省略或者將其置0。ARM存放器管理單元第13頁13存放管理單元MMU作用實現(xiàn)虛擬地址空間到物理存放空間映射；存放器訪問權限控制；設置虛擬存放空間緩沖特征。 頁表是實現(xiàn)上述功效一個主要伎倆，它實際上是位于內存中一個對照表。ARM存放器管理單元第14頁14存放器單元段頁式管理為了實現(xiàn)不一樣層次管理，系統(tǒng)提供了基于段或頁存放器訪問方式段（section）：由1MB存放器塊組成

大頁（largepage）：由64KB存放器塊組成

小頁（smallpage）：由4KB存放器塊組成

微頁（tinypage）：由1KB存放器塊組成ARM存放器管理單元第15頁15用于存放管理頁表地址變換條目：頁表每一行對應與虛擬地址空間一個頁，該行同時保含了該虛擬內存頁對應物理內存頁地址、該頁訪問權限以及緩沖特征等。我們將頁表中一行稱為地址變換條目。頁表存放在內存中，系統(tǒng)通常有一個存放器來保留頁表基地址。ARM系統(tǒng)中使用就是CP15存放器C2?？毂恚簭奶摂M地址到物理地址轉換實際上就是查詢頁表過程。因為程序在執(zhí)行過程中含有局部性，即在一段時間內只是局限在少數(shù)幾個單元，為了加緊頁表查詢速度，在系統(tǒng)中通常使用一個容量更小、速度更加快存放器件來保留當前需要訪問地址變換條目，這個容量小頁表又稱作快表（TLB）。ARM存放器管理單元第16頁16快表使用更新：當CPU需要訪問內存時，首先在TLB中查找需要地址變換條目。若不存在則在內存頁表中查詢，并把查詢結果添加到TLB中。去除：當內存中頁表內容改變或者使用新頁表時，TLB中內容需要清空。CP15存放器8用于完成該功效。鎖定：能夠將一個地址變換條目鎖定在TLB中，以加緊訪問速度，CP15存放器10用于完成該功效。ARM存放器管理單元第17頁17域（domain）管理域是段、大頁和小頁集合。ARM結構支持16個域。對域訪問由域訪問控制存放器（CP15存放器3）兩個位字段控制。因為每個字段對訪問對應域使能非?？焖伲哉麄€存放器區(qū)間能很快地交換進出虛擬存放器。這里支持2種域訪問方式客戶：域用戶（執(zhí)行程序，訪問數(shù)據(jù)），被形成這個域節(jié)或頁來監(jiān)督訪問權限。管理者：控制域行為（域中當前段和頁，對域訪問），不被形成這個域段或頁來監(jiān)督訪問權限。一個程序能夠是一些域客戶，也是另外一些域管理者，同時沒有對其它域訪問權限。這允許對程序訪問不一樣存放器資源非常靈活存放器保護。ARM存放器管理單元第18頁18內存訪問失效管理當存放器訪問失敗時，MMU單元提供了對應機制用于處理這種情況。CP15存放器5和存放器6用于完成該功效。ARM存放器管理單元第19頁19存放器1MMU控制位M(bit[0])使能MMU0=禁止MMU1=允許MMU在沒有MMU和保護單元系統(tǒng)上，這個位應該讀出為0，并忽略寫。A(bit[1])使能對齊錯檢驗0=禁止1=允許..RRVIZFRSBLDPWCAM..14131211109876543210ARM存放器管理單元第20頁20禁止和使能MMU下面指令使能MMU MRC P15,0,R0,C1,0,0 OR R0,#1 MCR P15,0,R0,C1,0,0下面指令禁止MMU MRC P15,0,R0,C1,0,0 BIC R0,#1 MCR P15,0,R0,C1,0,0ARM存放器管理單元第21頁21地址變換過程虛擬存放空間到物理存放空間映射是以內存塊為單位進行。在MMU中采取兩級頁表實現(xiàn)上述地址映射：一級頁表中包含有以段為單位地址變換條目以及只想二級頁表指針。一級頁表實現(xiàn)地址映射粒度較大；二級頁表中包含以大頁和小頁為單位地址變換條目。其中一個類型二級表還包含有極小頁為單位地址變換條目。ARM存放器管理單元第22頁22基于一級頁表地址變換ARM存放器管理單元第23頁23一級頁表描述符可能格式ARM存放器管理單元第24頁24基于段地址映射示意圖ARM存放器管理單元第25頁25高速緩沖存放器和寫緩沖區(qū)處理器主頻較高，通常為幾十兆甚至幾百兆，而普通存放器（DRAM）存放周期為100～200ns。存放器速度嚴重制約著系統(tǒng)性能。高速緩沖存放器（cache）是一個硬件部件，對我們來說是透明。Cache與主存放器間以塊（cacheline）為單位進行數(shù)據(jù)交換。Cache存取速度遠遠大于主存放器速度，存放器訪問時間局部性決定了采取Cache后，系統(tǒng)整體性能能夠得到大大提升。高速緩沖區(qū)和寫緩沖區(qū)第26頁26Cache工作原理高速緩沖區(qū)和寫緩沖區(qū)第27頁27Cache工作原理在Cache存放系統(tǒng)中，把Cache和主存劃分為相同大小塊。主存地址能夠使用塊號(B)和塊內地址(W)兩部分組成。一樣Cache地址也能夠使用塊號(B)和塊內地址(W)兩部分組成。命中率：當CPU訪問存放器時，經(jīng)過存放器地址變換部件把地址變換成cache塊號和塊內地址，假如變換成功（稱為cache命中），就用得到cache地址訪問cache，從cache中取數(shù)；假如變換失敗，則產(chǎn)生cache失效信息，并用主存放器地址訪問主存放器，同時將包含被訪問字在內一整塊都從主存放器讀出來，裝入到cache中，但假如這時cache已滿，需要采取適當替換算法來更新cache。高速緩沖區(qū)和寫緩沖區(qū)第28頁28Cache地址映象和變換方法地址映象指把主存地址空間映象到cache地址空間，詳細說就是把存放在主存中程序按照某種規(guī)則裝入到cache中，并建立主存地址到cache地址之間對應關系。地址變換是指當程序已經(jīng)裝入到cache中后（形成地址映象），在實際運行過程中，把主存地址怎樣變換成cache地址。地址映象和變換是親密相關，算法需要統(tǒng)一。但全部方法都將主存和cache劃分為一樣大小存放單元（稱為塊），在進行變換時都是以塊為單位。地址映象和變換方法包含：全相聯(lián)映象、直接映象、組相聯(lián)映象三種方法。高速緩沖區(qū)和寫緩沖區(qū)第29頁29地址映象和變換方法－全相聯(lián)映象方式主存中任意一塊能夠映射到cache中任意一塊位置上。假如cache塊容量為C，主存塊容量為M，則兩則之間映象關系有C*M中，假如采取目錄表來存放這些映象關系，目錄表容量為C。高速緩沖區(qū)和寫緩沖區(qū)第30頁30地址映象和變換方法－直接映象方式這是最簡單也是最直接方法。主存中一塊只能映象到cache中一個特定塊中。假設主存塊號為B，cache塊號為b，則他們之間映象關系能夠使用下面企業(yè)表示： b＝BmodeCb 其中Cb為cache塊容量高速緩沖區(qū)和寫緩沖區(qū)第31頁31地址映象和變換方法－組相聯(lián)映象方式在這種方式下，把主存和cache按照一樣大小劃分成組，每個組都由相同塊數(shù)組成。這么，主存組數(shù)要比cache組數(shù)多；主存組與cache組之間采取直接映象方式；在兩個對應組之間采取全相聯(lián)映象方式。高速緩沖區(qū)和寫緩沖區(qū)第32頁32Cache分類統(tǒng)一/獨立數(shù)據(jù)和指令cache 適應獨立數(shù)據(jù)和指令cache，能夠在同一個時鐘周期中讀取指令和數(shù)據(jù)，而不需要雙端口cache。但這時需要確保指令和數(shù)據(jù)一致性。寫回和寫通cache 寫回cache指執(zhí)行寫操作時，被寫數(shù)據(jù)只寫入cache，僅當cache需要被替換時才將數(shù)據(jù)寫入到實際存放器中； 寫通則是在指執(zhí)行寫操作時，同時向cache和存放器執(zhí)行寫操作，從而確保數(shù)據(jù)一致性。高速緩沖區(qū)和寫緩沖區(qū)第33頁33Cache替換算法隨機替換算法和輪轉法隨機替換算法經(jīng)過一個隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生隨機數(shù)，用新塊將編號為該隨機數(shù)塊進行替換。輪轉法維護一個邏輯計數(shù)器，利用該計數(shù)器依次選擇將要被替換出去cache塊。高速緩沖區(qū)和寫緩沖區(qū)第34頁34存放系統(tǒng)一致性問題當引入cache機制后，同一地址數(shù)據(jù)可能存在多個副本，分別保留在cache中、寫緩沖區(qū)中以及主存中。地址映射關系改變造成不一致；指令cache數(shù)據(jù)一致性問題；DMA造成不一致問題；高速緩沖區(qū)和寫緩沖區(qū)第35頁35Cache編程接口與cache和寫緩沖區(qū)相關存放器包含CP15中存放器C7、存放器C9以及存放器C1中一些位。MCRP15,0,<Rd>,<C1>,<CRm>,<Op2>MCRP15,0,<Rd>,<C7>,<CRm>,<Op2>MCRP15,0,<Rd>,<C9>,c0,<Op2>MRCP15,0,<Rd>,<C1>,<CRm>,<Op2>MRCP15,0,<Rd>,