Linux学习 ： 裸板调试 之 使用MMU

MMU（Memory Management Unit，内存管理单元）,操作系统通过使用处理器的MMU功能实现以下：
1）虚拟内存。有了虚拟内存，可以在处理器上运行比实际物理内存大的应用程序。为了使用虚拟内存，操作系统通常要设置一个交换分区（通常是硬盘），通过将不活跃的内存中的数据放入交换分区，操作系统可以腾出其空间来为其它的程序服务。虚拟内存是通过虚拟地址来实现的。
2）内存保护。根据需要对特定的内存区块的访问进行保护，通过这一功能，我们可以将特定的内存块设置成只读、只写或是可同时读写。

实验平台：s3c2440 ，另外MMU还有Icache(指令), Dcache(数据),可以加快运行速度。

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@ File：head.S
@ 功能：设置SDRAM，将第二部分代码复制到SDRAM，设置页表，启动MMU，
@       然后跳到SDRAM继续执行
@*************************************************************************       

.text
.global _start
_start:
    ldr sp, =4096                       @ 设置栈指针，以下都是C函数，调用前需要设好栈
    bl  disable_watch_dog               @ 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启
    bl  memsetup                        @ 设置存储控制器以使用SDRAM
    bl  copy_2th_to_sdram               @ 将第二部分代码复制到SDRAM
    bl  create_page_table               @ 设置页表
    bl  mmu_init                        @ 启动MMU
    ldr sp, =0xB4000000                 @ 重设栈指针，指向SDRAM顶端(使用虚拟地址)
    ldr pc, =0xB0004000                 @ 跳到SDRAM中继续执行第二部分代码
    @ ldr pc, =main
halt_loop:
    b   halt_loop

初始化、启动MMU:

/*
 * init.c: 进行一些初始化，在Steppingstone中运行
 * 它和head.S同属第一部分程序，此时MMU未开启，使用物理地址
 */ 

/* WATCHDOG寄存器 */
#define WTCON           (*(volatile unsigned long *)0x53000000)
/* 存储控制器的寄存器起始地址 */
#define MEM_CTL_BASE    0x48000000


/*
 * 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启
 */
void disable_watch_dog(void)
{
    WTCON = 0;  // 关闭WATCHDOG很简单，往这个寄存器写0即可
}

/*
 * 设置存储控制器以使用SDRAM
 */
void memsetup(void)
{
    /* SDRAM 13个寄存器的值 */
    unsigned long  const    mem_cfg_val[]={ 0x22011110,     //BWSCON
                                            0x00000700,     //BANKCON0
                                            0x00000700,     //BANKCON1
                                            0x00000700,     //BANKCON2
                                            0x00000700,     //BANKCON3  
                                            0x00000700,     //BANKCON4
                                            0x00000700,     //BANKCON5
                                            0x00018005,     //BANKCON6
                                            0x00018005,     //BANKCON7
                                            0x008C07A3,     //REFRESH
                                            0x000000B1,     //BANKSIZE
                                            0x00000030,     //MRSRB6
                                            0x00000030,     //MRSRB7
                                    };
    int     i = 0;
    volatile unsigned long *p = (volatile unsigned long *)MEM_CTL_BASE;
    for(; i < 13; i++)
        p[i] = mem_cfg_val[i];
}

/*
 * 将第二部分代码复制到SDRAM
 */
void copy_2th_to_sdram(void)
{
    unsigned int *pdwSrc  = (unsigned int *)2048;
    unsigned int *pdwDest = (unsigned int *)0x30004000;  
    
    while (pdwSrc < (unsigned int *)4096)
    {
        *pdwDest = *pdwSrc;
        pdwDest++;
        pdwSrc++;
    }
}

/*
 * 设置页表
 */
void create_page_table(void)
{

/* 
 * 用于段描述符的一些宏定义
 */ 
#define MMU_FULL_ACCESS     (3 << 10)   /* 访问权限 */
#define MMU_DOMAIN          (0 << 5)    /* 属于哪个域 */
#define MMU_SPECIAL         (1 << 4)    /* 必须是1 */
#define MMU_CACHEABLE       (1 << 3)    /* cacheable */
#define MMU_BUFFERABLE      (1 << 2)    /* bufferable */
#define MMU_SECTION         (2)         /* 表示这是段描述符 */
#define MMU_SECDESC         (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | 
                             MMU_SECTION)
#define MMU_SECDESC_WB      (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | 
                             MMU_CACHEABLE | MMU_BUFFERABLE | MMU_SECTION)
#define MMU_SECTION_SIZE    0x00100000

    unsigned long virtuladdr, physicaladdr;
    unsigned long *mmu_tlb_base = (unsigned long *)0x30000000; //SDRAM
    
    /*
     * Steppingstone的起始物理地址为0，第一部分程序的起始运行地址也是0，
     * 为了在开启MMU后仍能运行第一部分的程序，
     * 将0～1M的虚拟地址映射到同样的物理地址
     */
    virtuladdr = 0;
    physicaladdr = 0;
    *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | 
                                            MMU_SECDESC_WB;

    /* 
     * 0x56000000是GPIO寄存器的起始物理地址，
     * GPFCON和GPFDAT这两个寄存器的物理地址0x56000050、0x56000054，
     * 为了在第二部分程序中能以地址0xA0000050、0xA0000054来操作GPFCON、GPFDAT，
     * 把从0xA0000000开始的1M虚拟地址空间映射到从0x56000000开始的1M物理地址空间
     */
    virtuladdr = 0xA0000000;
    physicaladdr = 0x56000000;
    *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | 
                                            MMU_SECDESC;

    /*
     * SDRAM的物理地址范围是0x30000000～0x33FFFFFF，
     * 将虚拟地址0xB0000000～0xB3FFFFFF映射到物理地址0x30000000～0x33FFFFFF上，
     * 总共64M，涉及64个段描述符，以1M为单位
     */
    virtuladdr = 0xB0000000;
    physicaladdr = 0x30000000;
    while (virtuladdr < 0xB4000000)
    {
        *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | 
                                                MMU_SECDESC_WB;
        virtuladdr += 0x100000;
        physicaladdr += 0x100000;
    }
}

/*
 * 启动MMU，使用在SDRAM开头配置的页表进行内存映射及管理
 */
void mmu_init(void)
{
    unsigned long ttb = 0x30000000;

// ARM休系架构与编程
// 嵌入汇编：LINUX内核完全注释
__asm__(
    "mov    r0, #0
"
    "mcr    p15, 0, r0, c7, c7, 0
"    /* 使无效ICaches和DCaches */
    
    "mcr    p15, 0, r0, c7, c10, 4
"   /* drain write buffer on v4 */
    "mcr    p15, 0, r0, c8, c7, 0
"    /* 使无效指令、数据TLB */
    
    "mov    r4, %0
"                   /* r4 = 页表基址 */
    "mcr    p15, 0, r4, c2, c0, 0
"    /* 设置页表基址寄存器 */
    
    "mvn    r0, #0
"                   
    "mcr    p15, 0, r0, c3, c0, 0
"    /* 域访问控制寄存器设为0xFFFFFFFF，
                                         * 不进行权限检查 
                                         */    
    /* 
     * 对于控制寄存器，先读出其值，在这基础上修改感兴趣的位，
     * 然后再写入
     */
    "mrc    p15, 0, r0, c1, c0, 0
"    /* 读出控制寄存器的值 */
    
    /* 控制寄存器的低16位含义为：.RVI ..RS B... .CAM
     * R : 表示换出Cache中的条目时使用的算法，
     *     0 = Random replacement；1 = Round robin replacement
     * V : 表示异常向量表所在的位置，
     *     0 = Low addresses = 0x00000000；1 = High addresses = 0xFFFF0000
     * I : 0 = 关闭ICaches；1 = 开启ICaches
     * R、S : 用来与页表中的描述符一起确定内存的访问权限
     * B : 0 = CPU为小字节序；1 = CPU为大字节序
     * C : 0 = 关闭DCaches；1 = 开启DCaches
     * A : 0 = 数据访问时不进行地址对齐检查；1 = 数据访问时进行地址对齐检查
     * M : 0 = 关闭MMU；1 = 开启MMU
     */
    
    /*  
     * 先清除不需要的位，往下若需要则重新设置它们    
     */
                                        /* .RVI ..RS B... .CAM */ 
    "bic    r0, r0, #0x3000
"          /* ..11 .... .... .... 清除V、I位 */
    "bic    r0, r0, #0x0300
"          /* .... ..11 .... .... 清除R、S位 */
    "bic    r0, r0, #0x0087
"          /* .... .... 1... .111 清除B/C/A/M */

    /*
     * 设置需要的位
     */
    "orr    r0, r0, #0x0002
"          /* .... .... .... ..1. 开启对齐检查 */
    "orr    r0, r0, #0x0004
"          /* .... .... .... .1.. 开启DCaches */
    "orr    r0, r0, #0x1000
"          /* ...1 .... .... .... 开启ICaches */
    "orr    r0, r0, #0x0001
"          /* .... .... .... ...1 使能MMU */
    
    "mcr    p15, 0, r0, c1, c0, 0
"    /* 将修改的值写入控制寄存器 */
    : /* 无输出 */
    : "r" (ttb) );
}

led测试C代码：

/*
 * leds.c: 循环点亮4个LED
 * 属于第二部分程序，此时MMU已开启，使用虚拟地址
 */ 

#define GPFCON      (*(volatile unsigned long *)0xA0000050)     // 物理地址0x56000050
#define GPFDAT      (*(volatile unsigned long *)0xA0000054)     // 物理地址0x56000054

#define    GPF4_out    (1<<(4*2))
#define    GPF5_out    (1<<(5*2))
#define    GPF6_out    (1<<(6*2))

/*
 * wait函数加上“static inline”是有原因的，
 * 这样可以使得编译leds.c时，wait嵌入main中，编译结果中只有main一个函数。
 * 于是在连接时，main函数的地址就是由连接文件指定的运行时装载地址。
 * 而连接文件mmu.lds中，指定了leds.o的运行时装载地址为0xB4004000，
 * 这样，head.S中的“ldr pc, =0xB4004000”就是跳去执行main函数。
 */
static inline void wait(unsigned long dly)
{
    for(; dly > 0; dly--);
}

int main(void)
{
    unsigned long i = 0;
    
    GPFCON = GPF4_out|GPF5_out|GPF6_out;        // 将LED1,2,4对应的GPF4/5/6三个引脚设为输出

    while(1){
        wait(30000);
        GPFDAT = (~(i<<4));         // 根据i的值，点亮LED1,2,4
        if(++i == 8)
            i = 0;
    }

    return 0;
}

Makefile:

objs := head.o init.o leds.o

mmu.bin : $(objs)
    arm-linux-ld -Tmmu.lds -o mmu_elf $^
    arm-linux-objcopy -O binary -S mmu_elf $@
    arm-linux-objdump -D -m arm mmu_elf > mmu.dis
    
%.o:%.c
    arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

%.o:%.S
    arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

clean:
    rm -f mmu.bin mmu_elf mmu.dis *.o        
    

 特殊链接：

SECTIONS { 
  firtst    0x00000000 : { head.o init.o }
  second    0xB0004000 : AT(2048) { leds.o }
}