Helper2416-18——裸机第九弹——MMU&异常处理实践+实践源码

yuanlai2010

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裸机第九弹——MMU&异常处理实践

参与Helper2416开发板助学计划心得

MMU简介：

MMU是Memory Management Unit的缩写，中文名是内存管理单元，它是中央处理器（CPU）中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权。

关于虚拟地址与物理地址：

1：什么是虚拟地址？

   虚拟地址：4GB虚拟地址空间中的地址，程序中使用的都是虚拟地址。在MMU开启之前虚拟地址=物理地址

2：什么是物理地址？

   物理地址：出现在CPU地址总线上的地址。

MMU主要功能及应用目的：

1：将线性地址映射为物理地址

这个对于我来说，主要就是要把虚拟地址0x00开始的这一块地址映射到我能访问的实际物理地址上来，比如0x40000000开始的IROM或者是0x30000000开始的DRAM，这样我就能使用自己的异常向量表了，才能继续下一步中断的实践（比如UART、TIMER。。。都需要中断功能）

2：提供硬件机制的内存访问授权

其实对于裸机程序来说，权限管理暂时还没有什么用处，玩系统的时候再来实践。

MMU的详细介绍和使用方法：这个东西以我的实力恐怕是难以写出一份详尽的教程出来，我就不在这里献丑了。
这里推荐韦东山老师的这本《嵌入式Linux应用开发完全手册》，其中第七章详细的讲解了MMU原理及使用方法，同时还有很多容易犯错的地方都指出来了，一些错误都是前些日子写boot的时候犯过的，看了这个之后感觉真是受益良多啊
由于附件大小限制在15MB以内，我会在楼下贴出下载链接，由于要通过审核，可能会慢一些。

目标：
使用一级页表，把虚拟地址0x00000000开始的1MB地址空间映射到IROM起始地址0x40000000开始的1MB实际地址空间。同时把虚拟地址0x40000000也映射实际地址0x40000000的位置。同时开启Cache加快指令执行速度。
这样就可以把我们的异常向量表放在我们的启动代码中了，同时又不因我们的链接地址是0x40000000而非得使用位置无关码编写代码了


MMU代码实践：

1. /*********************************************************************************/
   
2. /**************************************宏定义*************************************/
   
3. /*********************************************************************************/
   
4. 
   
5. #define MMU_BASE                            0x4000c000        // 页表基址
   
6. #define MMU_FULL_ACCESS       (3 << 10)          // 访问权限
   
7. #define MMU_DOMAIN            (0 << 5)           // 属于哪个域
   
8. #define MMU_SPECIAL           (1 << 4)           // bit 4必须是1
   
9. #define MMU_CACHEABLE         (1 << 3)           // 可以使用cache
   
10. #define MMU_BUFFERABLE        (1 << 2)           // 可以使用write buffer
    
11. #define MMU_SECDESC           (2)                // 表示这是段描述符
    
12. 
    
13. /********************************允许Cache&Buffer*********************************/
    
14. #define MMU_SECDESC_WB        (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | \
    
15.                                   MMU_SPECIAL | MMU_CACHEABLE | \
    
16.                                   MMU_SECDESC)
    
17.                                                          
    
18. /********************************禁用Cache&Buffer*********************************/                                                         
    
19. #define MMU_SECDESC_NCNB      (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | \
    
20.                                   MMU_SPECIAL | MMU_SECDESC)
    
21.                                                          
    
22. /*********************************************************************************/
    
23. /***********************************配置并启动MMU*********************************/
    
24. /*********************************************************************************/
    
25. void mmu_init(void)
    
26. {
    
27.         /*******************************新建立页表项**********************************/
    
28.         volatile unsigned long *table = (volatile unsigned long *)MMU_BASE;
    
29. 
    
30.         /*  VA: 0x00000000 => PA: 0x40000000  允许Cache%Buffer */
    
31.         table[0x000] = 0x40000000 | MMU_SECDESC_WB;        
    
32.         /*  VA: 0x40000000 => PA: 0x40000000  允许Cache%Buffer */
    
33.         table[0x400] = 0x40000000 | MMU_SECDESC_WB;
    
34.         /*  VA: 0x56000000 => PA: 0x56000000  禁止Cache%Buffer */
    
35.         /*  这一块地址是用来操作GPB寄存器的   直接访问物理地址 */
    
36.         table[0x560] = 0x56000000 | MMU_SECDESC_NCNB;
    
37. 
    
38.         /*********************************启用MMU*************************************/
    
39.         __asm__ (
    
40. 
    
41.                 "mov    r1, #0\n"
    
42.                 "mcr    p15, 0, r1, c7, c7, 0\n"    // invalidate ICaches & DCaches
    
43. 
    
44.                 "mcr    p15, 0, r1, c7, c10, 4\n"   // drain write buffer on v4
    
45.                 "mcr    p15, 0, r1, c8, c7, 0\n"    // invalidate Data & Instruction TLB
    
46. 
    
47.                 "mcr p15, 0, %0, c2, c0, 0\n"                 // write TTB register
    
48.                 "mrc p15, 0, r1, c3, c0, 0\n"                 // read domain 15:0 access permissions
    
49.                 "orr r1, r1, #3\n"                            // domain 0, Accesses are not checked
    
50.                 "mcr p15, 0, r1, c3, c0, 0\n"                 // write domain 15:0 access permissions
    
51. 
    
52.                 "mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0\n"                 // Read control register
    
53. 
    
54.                 "orr r1, r1, #(1<<2)\n"                       // Data cache enable
    
55.                 "orr r1, r1, #(1<<12)\n"                      // Instruction cache enable
    
56.                 "orr r1, r1, #(1<<14)\n"                      // Round robin replacement
    
57.                
    
58.                 "orr r1, r1, #(1<<0)\n"                       // MMU enable
    
59. 
    
60.                 "mcr p15,0,r1,c1, c0,0\n"                     // write control register
    
61.                 :
    
62.                 : "r" (table)
    
63.                 : "r1"
    
64.         );
    
65. }
    

复制代码

注意：MMU已经开启，CPU所有对地址的处理都会经过MMU，不过好在table[0x400] = 0x40000000 | MMU_SECDESC_WB;就不要担心会出什么问题了。

这样就只要在发生异常之前调用mmu_init这个函数，就可以使用物理地址0x4000000处的异常向量表了

下面我们使用“swi”指令来试验是否能够成功跳转到预定的指令，为了看到实验结果，我们在swi异常中点亮LED灯。
代码如下：

1. @******************************************************************************
   
2. @ File：start.S
   
3. @ 功能：测试地址重映射是否成功
   
4. @******************************************************************************   
   
5. .text
   
6. .global _start
   
7. _start:
   
8. @************   异常向量表   *************@
   
9.                 B        Reset_Handler
   
10.                 B        Handler_LOOP
    
11.                 B        SWI_Handler
    
12.                 B        Handler_LOOP
    
13.                 B        Handler_LOOP
    
14.                 B        Handler_LOOP
    
15.                 B        Handler_LOOP
    
16.                 B        Handler_LOOP
    
17.                
    
18. Reset_Handler:               
    
19.                 @关闭看门狗
    
20.                 LDR        R0,        =0x53000000
    
21.                 LDR        R1,         [R0]
    
22.                 BIC        R1,        R1,        #0x01
    
23.                 STR        R1,        [R0]
    
24.                
    
25.                 @设置栈
    
26.                 LDR        SP,        =0x40010000
    
27.                
    
28.                 @调用mmu初始化函数
    
29.                 BL        mmu_init
    
30.                
    
31.                 @发出SWI异常
    
32.                 swi
    
33.                         
    
34. MAIN_LOOP:
    
35.                 B       MAIN_LOOP
    
36.                
    
37. @************   SWI_Handler   *************@
    
38. SWI_Handler:
    
39.                 @点亮LED，仅测试是否成功跳转，就不保存现场了
    
40.                 LDR        R0,        =0x56000010
    
41.                 MOV        R1,        #0x00000004        
    
42.                 STR        R1,        [R0]
    
43.             
    
44.                 LDR        R0,        =0x56000014
    
45.                 MOV        R1,        #0x00000000
    
46.                 STR        R1,        [R0]
    
47.                
    
48. Handler_LOOP:
    
49.                 B       Handler_LOOP
    
50.                
    
51.                         
    
52. .end
    
53.                         
    

复制代码

实验结果：
LED成功点亮，说明地址重映射成功。

源码： mmu_test.rar (3.32 KB, 下载次数: 9)

2014-7-23 20:52 上传

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论坛ID： yuanlai2010

发表时间：2014-07-23

spacexplorer

没事，可以编辑的！

yuanlai2010

在这里附上《嵌入式Linux应用开发完全手册》高清扫描件，很好的一本教材

链接已隐藏，如需查看请登录或者注册

yuanlai2010

昨天晚上编辑了一点，就失误的点击了发表，简直就是悲剧啊，所以设置了访问权限，今晚用时间写完了帖子，现在重新开放权限。

periscope

不错 顶一个，书上我看了几遍，一直没有整明白