baron · 3月20日 · 四川

思考:开启MMU瞬间可能出现的多种问题以及多种解决方案

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(说明本文的介绍都是基于armv8-aarch64或armv9硬件架构)

在mmu未开启阶段,PC操作的都是物理地址执行程序,这样看起来一切正常,没啥问题。

例如:
取指(到物理地址0x4000处取指)、译码、执行
取指(物理地址0x4004处取指)、译码、执行
取指(物理地址0x4008处取指)、译码、执行
取指(物理地址0x400C处取指)、译码、执行

但是呢,假如程序在执行的过程中,你突然打开了MMU,那么会发生什么呢? 比如在前面的示例中,就会出现,程序本来执行在0X4000、0x4004处好好的,而0x4004切好是enable_mmu指令,那么接下来PC将取值0x4008处地址的指令,由于此时MMU已经被打开了,那么0x4008会被当作虚拟地址,经过MMU翻译...
经过MMU,那么就可能出现了两种问题:一是虚拟地址0x4008所对应的页表没有建立,此时会产生prefetch abort; 二是虚拟地址0x4008所对应的页表已经建立了(例如指向物理0x9004处),那么此时cpu期望访问物理地址0x4008处的,就被突然变成了访问物理地址0x9004处了。

取指(到到物理地址0x4000处取指)、译码、执行
取指(物理地址0x4004处取指)、译码、执行 -- 这条指令是开启MMU
取指(到虚拟地址0x4008处取指,经MMU单元后,要么是invalid,要么是0x9004)、译码、执行
......

在这里插入图片描述

为了解决上述描述的问题,下面给出了两种解决方案:
第一种方案:
在开启MMU之前,我先对正在执行的这一小块代码建立个页表(一一映射),那么此时的逻辑就变成了:

取指(到到物理地址0x4000处取指)、译码、执行
取指(物理地址0x4004处取指)、译码、执行 -- 这条指令是开启MMU
取指(到虚拟地址0x4008处取指,经MMU单元后,物理地址依然是是0x4008)、译码、执行 -- 程序没有跑飞
......

在这里插入图片描述

第二种方案:
在开启MMU之前,我确实建立个页表(不是一一映射哦,这是正常业务的页表),此时的逻辑如下:

取指(到到物理地址0x4000处取指)、译码、执行
取指(物理地址0x4004处取指)、译码、执行 -- 这条指令是开启MMU
取指,到虚拟地址0x4008处取指,经MMU单元时在页表是找不到0x4008这个虚拟地址的(因为没做map),所以会产生prefetch abort异常、而在异常代码ERET返回时,正好返回到0xXXXX地址处,该地址是虚拟地址,正好MAP到0x4008物理地址,程序得到继续执行,译码、执行 -- 程序很顺利哦
......

在这里插入图片描述
如果看到此处,您没有看懂,没关系,请看下列代码示例:

...
        ldr     x30, =mmu_on_addr     -------(1)
        msr        SCTLR_EL1, x0         -------(2)
        isb                           -------(3)

mmu_on_addr :                         -------(4)
...

程序在(1)处将mmu_on_addr链接地址(虚拟地址)写入到了X30寄存器中
程序在(2)处enable MMU,此时下一条指令取指,将被当作成虚拟地址,经过MMU翻译,而对应的页表中自然是没有这个地址(物理地址被当作成的虚拟地址),所以此时将产生sync abort...
程序在(3)处不会被执行,因为上面已经sync abort了

跳转到sync abort后,代码如下方所示,什么都没干,直接ret返回了。

vector_entry sync_exception_sp_elx
    ret

ret指令返回的,PC自然是自动指向X30地址处,即mmu_on_addr链接地址(虚拟地址),程序继续跑,一切步入正常流程...


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