MIPS的內(nèi)存映射
在32位MIPS體系結(jié)構(gòu)下，最多可尋址4GB地址空間。這4GB空間的分配是怎樣的呢？讓我們看下面這張圖：
+----------------------------------------------+
| | 0xFFFFFFFF
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| Kernel Space Mapped Cached |
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0xC0000000 | |
+----------------------------------------------+
| | 0xBFFFFFFF
| Kernel Space Unmapped UnCached |
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0xA0000000 +----------------------------------------------+
| | 0x9FFFFFFF
| Kernel Space Unmapped cached |
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0x80000000 +----------------------------------------------+
| | 0x7FFFFFFF
| |
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| User Space |
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0x00000000 +----------------------------------------------+
Figure 2-1 MIPS Logical Addressing Space
上圖是MIPS處理器的邏輯尋址空間分布圖。我們看到，2GB以下的地址空間，也就是從0x00000000到0x7FFFFFFF的這一段空間，為User Space，可以在User Mode下訪問(wèn)，當(dāng)然，在Kernel Mode下也是可以訪問(wèn)的。程序在訪問(wèn)User Space的內(nèi)存時(shí)，會(huì)通過(guò)MMU的TLB，映射到實(shí)際的物理地址上。也就是說(shuō)，這一段邏輯地址空間和物理地址空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是由MMU中的TLB表項(xiàng)決定的。
從0x80000000到0xFFFFFFFF的一段為Kernel Space，僅限于Kernel Mode訪問(wèn)。如果在User Mode下試圖訪問(wèn)這一段內(nèi)存，將會(huì)引發(fā)系統(tǒng)的一個(gè)Exception。MIPS的 Kernel Space又可以劃分為三部分。首先是通過(guò)MMU映射到物理地址的1GB空間，地址范圍從0xC0000000到0xFFFFFFFF。這1GB空間可以用來(lái)訪問(wèn)實(shí)際的DRAM內(nèi)存，可以為操作系統(tǒng)的內(nèi)核所用。
MIPS的Kernel Space中，還有兩段特殊的地址空間，分別是從0x80000000到0x9FFFFFFF的Kernel Space Unmapped cached和0xA0000000到0xBFFFFFFF的Kernel Space Unmapped UnCached。之所以說(shuō)它們特殊，是因?yàn)檫@兩段邏輯地址到物理地址的映射關(guān)系是硬件直接確定的，不通過(guò)MMU，而且兩段實(shí)際上是重疊的，均對(duì)應(yīng)0x00000000到0x20000000的物理地址。那么，為什么一段同樣的物理地址有兩個(gè)邏輯地址對(duì)應(yīng)呢？它們的區(qū)別又在哪里呢？
原來(lái)，這是MIPS的設(shè)計(jì)特色之一。軟件在訪問(wèn)Kernel Space Unmapped Uncached這段地址空間的時(shí)候，不經(jīng)過(guò)MIPS的Cache。這樣，雖然速度會(huì)比較慢，但是，對(duì)于硬件I/O寄存器來(lái)說(shuō)，就不存在所謂的Cache一致性問(wèn)題。Cache一致性問(wèn)題，是指硬件將某個(gè)地址的內(nèi)容跳過(guò)軟件而改變了，Cache中的內(nèi)容尚未同步。這樣，如果軟件讀取該地址，有可能從Cache中獲取到錯(cuò)誤的內(nèi)容。將硬件I/O寄存器設(shè)定在這段地址空間，就可以避免Cache一致性帶來(lái)的問(wèn)題。MIPS的程序上電啟動(dòng)地址0xBFC00000，也落在這段地址空間內(nèi)?！想姇r(shí)，MMU和Cache均未初始化，因此，只有這段地址空間可以正常讀取并處理。
另一段特殊的地址Kernel Space Unapped Cached，與前者類似，直接映射到0x00000000到0x20000000，與Kernel Space Unmapped Uncached重疊。因?yàn)橥ㄟ^(guò)Cache，這段地址空間的訪問(wèn)速度比前者為快。一般地，這段內(nèi)存空間用于內(nèi)核代碼段，或者內(nèi)核中的堆棧。
顯然地，當(dāng)工程師們換算Kernel Space中的這兩段的物理地址和邏輯地址時(shí)，只需要改變地址的高3bit就可以了。
那么，什么時(shí)候需要使用物理地址，什么時(shí)候需要使用邏輯地址呢？我們知道，邏輯地址是程序中訪問(wèn)的內(nèi)存地址，譬如，下面的這條指令：
lw a0, 128(t2)
這條指令的內(nèi)容是從t2寄存器內(nèi)的地址 + 偏移128字節(jié)處，讀取一個(gè)word (4Byte)到寄存器a0內(nèi)。如果t2的值為0x88200100，則最終訪問(wèn)的物理地址為0x88200180。
而物理地址，從工程上可以理解為，將邏輯分析儀連接到內(nèi)存總線(Memory Bus)上，邏輯分析儀指示的地址，就是物理地址。假如，在上一個(gè)例子中，我們把邏輯分析儀接到處理器的前端內(nèi)存總線，我們就可以看到，執(zhí)行該指令時(shí)，系統(tǒng)訪問(wèn)的物理地址為0x08200180。物理地址和邏輯地址的換算，不僅限于電子工程師在設(shè)計(jì)硬件線路時(shí)需要。在內(nèi)核工程師編寫(xiě)支持DMA的外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要將向操作系統(tǒng)申請(qǐng)到的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址（當(dāng)然，這是一個(gè)邏輯地址）轉(zhuǎn)換為物理地址，并“告訴”相關(guān)外設(shè)。這樣，外設(shè)就可以在收到數(shù)據(jù)后，使用DMA模式儲(chǔ)存在系統(tǒng)的主存中，并向系統(tǒng)發(fā)起一個(gè)IRQ。操作系統(tǒng)在IRQ的handler中，從外設(shè)的相應(yīng)IO寄存器讀取到這段內(nèi)存的地址（當(dāng)然，是物理地址）并轉(zhuǎn)換為邏輯地址并處理之。這個(gè)過(guò)程中，如果沒(méi)有正確使用和分辨物理地址和邏輯地址，驅(qū)動(dòng)程序便會(huì)導(dǎo)致內(nèi)核的一個(gè)panic錯(cuò)誤。
物理地址到邏輯地址的映射關(guān)系是由什么決定的呢？除了上面提到的兩段Unmapped的地址空間，其余都是由TLB確定的，由MMU來(lái)執(zhí)行。這是后話。
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