嵌入式系统教案.ppt
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1、嵌入式系统教案,武汉创维特信息技术有限公司,2019/4/14,2,提纲,1,3,2,4,ARM存储系统概述,快速上下文切换技术,高速缓冲区和写缓冲区,ARM存储器管理单元,第五章 ARM存储系统,3,ARM存储系统概述,与其他中低档单片机不同,ARM处理器中一般都包含一个存储器管理部件,用于对存储器的管理。 为了适应不同的嵌入式应用, ARM存储系统的体系结构存在很多差别。简单的可以使用向单片机系统中使用的平板式地址映射机制即可;而一些复杂的系统中则可能包含多种技术来提供功能强大的存储系统。,ARM存储系统概述,4,ARM所使用的存储系统技术,系统中可能包含多种类型的存储器件,如FLASH、
2、ROM、SDRAM、SRAM等;而且不同类型的存储器件要求不同的速度、数据宽度等; 通过CACHE和WRITE BUFFER技术缩小处理器和存储系统速度差别,从而提高系统性能; 内存管理部件使用内存映射技术实现虚拟空间到物理空间的映射。 引入存储保护机制,增强系统的安全性; 引入一些机制保证I/O操作映射成内存操作后,各种I/O操作能够得到正确的结果。,ARM存储系统概述,5,S3C44B0X存储器组织示意图,ARM存储器管理单元,6,用于存储管理的系统控制协处理寄存器CP15,在基于ARM的嵌入式系统中,存储系统通常使用CP15来完成存储器的大部分管理工作;除了CP15之外,在具体的存储机制
3、中可能还会用到其他技术如:页表技术等。 CP15可以保护16个32位的寄存器,编号015。实际上对于某些编号的寄存器可能对应有多个物理寄存器,在指令中指定特定的标志位来区分相应的寄存器。,ARM存储器管理单元,7,CP15寄存器列表1,ARM存储器管理单元,8,CP15寄存器列表2,ARM存储器管理单元,9,CP15寄存器列表3,ARM存储器管理单元,10,访问CP15寄存器的指令,访问CP15寄存器的指令有如下两条: MCR Register - Coprocessor Register MRC Coprocessor Register - Register 注意:这两条指令只能在系统模式下
4、执行;在用户模式下执行该指令将引起异常。,ARM存储器管理单元,11,MCR 访问CP15,指令语法 MCR cond p15, , , MCR2 p15, , , OP1为协处理器将执行的操作的代码。对于CP15来说,该值必须为0; Rd为源寄存器,其值将被传送到协处理器中;该寄存器不能为PC; CRn是协处理器的目标寄存器,可以是C0-15; CRm是附加的目标寄存器或源操作数寄存器,用于区分同一编号的不同物理寄存器,当指令中不需要附加信息时要将C0指定为CRm; OP2也提供附加信息,用于区分同一编号的不同物理寄存器,当指令中不需要附加信息时,可以省略或者将其置0。,ARM存储器管理单元
5、,12,MCR 访问CP15示例,MCR P15, 0, R4, C1, C0, 0 上述指令从ARM寄存器R4中将数据传送到协处理器CP15的寄存器C1中。其中R4为ARM寄存器,存放源操作数;C1和C0为协处理器寄存器,为目标寄存器;操作码1为0,操作码附加信息也为0。,ARM存储器管理单元,13,MRC 访问CP15,指令语法 MRC cond p15, , , MRC2 p15, , , OP1为协处理器将执行的操作的代码。对于CP15来说,该值必须为0; Rd为目标寄存器,指令处理的结果将存放在该寄存器中; CRn是协处理器寄存器,存放第一个源操作数; CRm是附加的源操作数寄存器,
6、用于区分同一编号的不同物理寄存器,当指令中不需要附加信息时要将C0指定为CRm; OP2也提供附加信息,用于区分同一编号的不同物理寄存器,当指令中不需要附加信息时,可以省略或者将其置0。,ARM存储器管理单元,14,存储管理单元MMU的作用,实现虚拟地址空间到物理存储空间的映射; 存储器访问权限的控制; 设置虚拟存储空间的缓冲特性。 页表是实现上述功能的一个重要手段,它实际上是位于内存中的一个对照表。,ARM存储器管理单元,15,存储器单元的段页式管理,为了实现不同层次的管理,系统提供了基于段或页的存储器访问方式 段(section):由1MB 的存储器块构成 大页(large page):由
7、64KB 的存储器块构成 小页(small page):由4KB 的存储器块构成 微页(tiny page):由1KB 的存储器块构成,ARM存储器管理单元,16,用于存储管理的页表,地址变换条目:页表的每一行对应与虚拟地址空间的一个页,该行同时保含了该虚拟内存页对应的物理内存页的地址、该页的访问权限以及缓冲特性等。我们将页表中的一行称为地址变换条目。 页表存放在内存中,系统通常有一个寄存器来保存页表的基地址。ARM系统中使用的就是CP15的寄存器C2。 快表:从虚拟地址到物理地址的转换实际上就是查询页表的过程。由于程序在执行过程中具有局部性,即在一段时间内只是局限在少数几个单元,为了加快页表
8、的查询速度,在系统中通常使用一个容量更小、速度更快的存储器件来保存当前需要访问的地址变换条目,这个容量小的页表又称作快表(TLB)。,ARM存储器管理单元,17,快表的使用,更新:当CPU需要访问内存时,首先在TLB中查找需要的地址变换条目。若不存在则在内存页表中查询,并把查询的结果添加到TLB中。 清除:当内存中页表的内容改变或者使用新的页表时,TLB中的内容需要清空。CP15的寄存器8用于完成该功能。 锁定:可以将一个地址变换条目锁定在TLB中,以加快访问速度,CP15的寄存器10用于完成该功能。,ARM存储器管理单元,18,域(domain)管理,域是段、大页和小页的集合。ARM 结构支
9、持16 个域。对域的访问由域访问控制寄存器( CP15的寄存器3 )的两个位字段控制。因为每个字段对访问对应的域的使能非常迅速,所以整个存储器区间能很快地交换进出虚拟存储器。这里支持2 种域访问方式 客户:域的用户(执行程序,访问数据),被形成这个域的节或页来监督访问权限。 管理者:控制域的行为(域中的当前段和页,对域的访问),不被形成这个域的段或页来监督访问权限。 一个程序可以是一些域的客户,也是另外一些域的管理者,同时没有对其它域的访问权限。这允许对程序访问不同存储器资源的非常灵活的存储器保护。,ARM存储器管理单元,19,内存访问失效管理,当存储器访问失败时,MMU单元提供了相应的机制用
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