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MIPS的存储管理模型

MIPS32中的存储器模型被划分为四个大块，如下表所示：

虚拟地址范围 命名 描述
0x0000,0000~0x7fff,ffff(0~2G-1) USEG must be mapped (set page table and TLB)and set cache before use
0x8000,0000~0x9fff,ffff(2G~2.5G-1) KSEG0 directly mapped(no need to set page table and TLB) but need to set cache before use
0xa000,0000~0xbfff,ffff(2.5G~3G-1) KSEG1 directly mapped(no need to set page table and TLB) and never use cache
0xc000,0000~0xffff,ffff(3G~4G-1) KSEG2 muse be mapped(set page table and TLB) and set cache before use

下面在给出一个存储器管理模型图，又叫做虚拟内存映射图，该图和上面的表是一一对应关系。如下图所示：

这样的存储器管理模型和X86差距比较大，X86有实模式和保护模式之分，CPU刚启动时运行在实模式之下，直到设定了保护模式之后才能运行在保护模式下。在MIPS32中没有保护模式那么系统是如何启动的呢？

MIPS32中的 处理器启动向量 位于KSEG1中0xbfc0,0000。由于KSEG1是directly mapped的，所以直接对应了物理地址0x1fc0,0000。你可以在内核中一直使用0xa000,0000~0xbfff,ffff之间的虚拟地址来访问0~512M-1物理地址空间，在设置了KSEG0的cache之后，也可以使用0x8000,0000~0x9fff,ffff之间的虚拟地址来访问0~512M-1之间的物理地址空间，上面两片虚拟地址对应同一片物理地址空间。对于512M以上的物理地址空间只能由KSEG2和USEG通过页表访问。

x86处理器启动向量为0xffff,fff0；ARM处理器启动向量为0x0000,0000；MIPS处理器的启动向量为0xbfc0,0000。
虚拟内存映射图又叫做存储器管理模型、内存模型、内存地址策略等等。例如，Intel 的8086就是使用20位地址线的寻址策略，即16位段地址+16位偏移地址。

X86的存储器管理模型

待续

ARM的存储器管理模型

因为ARM公司只做ARM的内核，其他公司在获得ARM的内核后自行生产自己的SOC芯片 ,所以不同厂家生产的芯片，启动代码也不尽相同，但是启动代码大都实现以下功能：

中断向量表

ARM要求中断向量表必须放置在从0地址开始，连续8x4字节的空间内(ARM720T和ARM9、ARM10也支持从0xFFFF0000开始的高地址向量表)。每当一个中断发生以后，ARM处理器便强制把PC指针置为向量表中对应中断类型的地址值。因为每个中断只占据向量表中1个字的存储空间，只能放置一条ARM指令，使程序跳转到存储器的其他地方，再执行中断处理。

各异常和中断向量在向量表中的位置如下：

地址 中断 描述 优先级
0x00 Reset 复位 1
0x04 Undef 未定义指令中断 6
0x08 SWI SWI 6
0x0C Prefetch Abort 预取指令中断 5
0x10 Data Abort 数据中止中断 2
0x14 (Reserved) 保留  
0x18 IRQ IRQ 4
0x2C FIQ FIQ 3

中断向量对应ARM处理器的7种运行模式。特权模式包括fiq、irq、svc、abt、und、sys，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意切换处理器模式。异常模式包括fiq、irq、svc、abt、und。SWI指令用于产生软中断，ARM从用户模式变换到管理模式（供操作系统使用的一种保护模式）。在操作系统中表现为系统调用。 

		      用户模式(usr)               --  正常程序执行模式
        |--     |--   快速中断模式(fiq)           --  用于高速数据传输和通道处理
    特  |   异  |     外部中断模式(irq)           --  用于通常的中断处理
    权--|   常--|     管理员模式(svc)             --  供操作系统使用的一种保护模式
    模  |   模  |     数据访问中止模式(abt)       --  用于虚拟存储及存储保护
    式  |   式  |--   未定义指令中止模式(und)     --  用于支持通过软件仿真硬件的协处理器
        |----------   系统模式(sys)               --  用于运行特权级的操作系统任务

上面的中断向量表在代码中实现如下（startup.s）： 

AREA Boot ,CODE, READONLY
ENTRY
B ResetHandler
B UndefHandler
B SWIHandler
B PreAbortHandler
B DataAbortHandler
B 			;for reserved interrupt, stop here
B IRQHandler
B FIQHandler

其中关键字ENTRY是指定编译器保留这段代码，因为编译器可能会认为这是一段亢余代码而加以优化。链接的时候要确保这段代码被链接在0地址处，并且作为整个程序的入口。

地址重映射

地址转换器受控制寄存器MENMAP的控制，用户可以设置MENMAP实现对地址重映射的控制。这个地址转换器显然是通过内部硬件电路实现的。

虚拟地址和物理地址

对于底层软件工程师来说，很多时候都在和地址打交道。由于以前学习不够系统，各种技术资料专业术语不统一，以及现代SOC芯片的模块集成的复杂，在开发和阅读中，地址的概念可能比较混淆。下面以bcm5836芯片为例，说明其中需要使用到的各类地址的关系。其中重点是虚拟地址（Virtual Address VA）和物理地址（Physical Address PA）。

Virtual Address

在谈及CPU体系架构（ARM体系，MIPS体系，X86体系等等）时，通常会涉及到地址空间（address space）的概念。此时，需要了解的是该处理器核的地址线宽度，例如16位地址线，32位地址线，或者64位。此时，可能会给出一个内存映射图（memory map）。其实，这些就是上面几节所说的CPU存储器管理模型。

内存映射图给出的地址，是虚拟地址（virtual address）。因为这里的地址，表示的是CPU核在运算时使用的寻址的地址，也就是程序计数指针（PC）的值。该地址还会被经过一系列的转化（例如，MMU转化，丢弃最高位N根地址线等操作），才会变为实际对其他外围器件（这里的外围是指除CPU核之外，最常见的是内存，Flash等）进行寻址时使用的地址。

必须强调，对于软件开发，我们使用的地址都是虚拟地址。无论是在汇编代码中，还是在C语言代码中。如果涉及到一些物理地址的操作，我们也要将之转化为虚拟地址。例如： 

romInit.s Line 1038
……
/*
 * Memory segments (32bit kernel mode addresses)
 */
#define KUSEG			0x00000000
#define KSEG0			0x80000000
#define KSEG1			0xa0000000
#define KSEG2			0xc0000000
#define KSEG3			0xe0000000
/*
 * Map an address to a certain kernel segment
 */
#define _KSEG0ADDR(a)		(((a) & 0x1fffffff) | KSEG0)
#define _KSEG1ADDR(a)		(((a) & 0x1fffffff) | KSEG1)
#define _KSEG2ADDR(a)		(((a) & 0x1fffffff) | KSEG2)
#define _KSEG3ADDR(a)		(((a) & 0x1fffffff) | KSEG3)
……

“kernel segment”就是指MIPS的虚拟地址空间，宏_KSEG0ADDR(a)等就是将物理地址a（显然，物理地址有效范围只有512M）转化成为对应MIPS的虚拟地址空间段的虚拟地址。下面是BootROM中的一个实际应用。 

romInit.s Line 1065
……
#define SB_ENUM_BASE    0x18000000	/* Enumeration space base */
……
board_draminit:	
	SYSLED(LED_RED)
	/* Save return address */
	move	t6,ra    	# change v0 to t6
	/* Scan for an SDRAM controller (a0) */
	li	a0, _KSEG1ADDR(SB_ENUM_BASE)
……

在对RAM的初始化的时候，就用到了物理地址到虚拟地址的转化。SB_ENUM_BASE定义在Sbconfig.h文件中。有关0x18000000物理地址的相关知识，参考下一节中的SOC的内存映射关系表，可以看到，这其实是SOC片上模块的起始地址，在下一节中将会讲到，这就是一个物理地址。

Physical Address

在SOC上，都有很多功能模块的集成，例如SDRAM控制模块，AD模块，GPIO模块等。这个时候，就涉及到各个模块的地址。通俗讲，就是CPU核是如何找到这些模块的呢，是如何配置这些模块相关寄存器，如何向这些模块存取数据？

这个时候，关系到SOC片上资源地址空间的划分问题。例如，对于芯片bcm5836来说，地址映射关系如下表：

每一个地址范围对应什么资源都是由上表确定的。在这里的地址，就是物理地址。

VA和PA的映射关系

首先，我们看bcm5836地址映射关系图。这是bcm5836这片SOC芯片上，虚拟地址到物理地址的映射关系图。

左边的虚拟地址分布，就是MIPS CPU架构的基本地址空间的情况，对于某一固定的CPU架构，一般是不会变化的。参考《See MIPS Run》P47。右边的物理地址分布，主要是由SOC芯片来决定的。对于采用同一MIPS CPU架构的不同SOC，可能不会相同。具体的分布，需要参考的是SOC的设计说明书。

下面图 2 5 TL-SL5428的FLASH和SDRAM虚拟物理地址映射，介绍的是采用harrier方案的交换机TL-SL5428中，有关VA和PA的映射关系图。需要对照上面两节的图表来分析。

上图中，需要说明的一点就是FLASH空间的映射关系。可以看到，从0xbfc0.0000到0xc000.0000的4M空间和从0xbc00.0000到0xbc80,0000的8M空间是由重合的。其实，我们可以翻过去看到，在图 2 3 bcm5836地址映射关系（2）中，有这么一段：

那上面这两行是什么意思呢？其实，就是说，物理地址从0x1fc0.0000到0x1fff.ffff的4M空间和从0x1c00.0000开始的32M空间，被flash控制模块映射到实际的flash器件的时候，是属于同一位置。其实，这里是MIPS CPU的虚拟地址转化成物理地址（在这里就是kseg1段去掉高位3根地址线）之后，flash控制模块又将物理地址映射到实际器件的时候，将某一部分物理地址进行了重合。 在开发过程中，常说，CPU上电之后的开始运行的地址是0xbfc0.0000（又叫做系统启动向量），所以我们bootrom的第一行代码就放在虚拟地址0xbfc0.0000所对应的物理地址处（对于软件开发，可能无需了解该地址。因为芯片设计的原因，可能有多个虚拟地址对应此处的同一个物理地址）。 如上所述，可能有多个虚拟地址对应此处的同一个物理地址。我们在使用windriver bench 进行bootrom烧写flash的时候，可以看到需要选择的flash的基地址为0xbc00.0000，结束地址为0xbc7f.ffff（一共8M）。其实，这个虚拟地址0xbc00.0000也是对应flash器件的起始地址。

其它地址

在开发过程中，还会遇到其它的一些关于地址的概念，下面列举出一些。其实，只要了解了虚拟地址和物理地址的关系，这些名字都是虚拟地址或者物理地址在特定环境下的别名。