尤其在Linux系統(tǒng)中，MMU的作用尤為關鍵
本文將深入探討Linux系統(tǒng)中的MMU，并結合“Linux MMU圖”來詳細解釋其工作原理和重要性
MMU的基本概念與功能 MMU是一種硬件模塊，用于在CPU和內(nèi)存之間實現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理
其主要功能是將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，同時提供訪問權限的控制和緩存管理等功能
MMU是現(xiàn)代計算機操作系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，它顯著提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性
在內(nèi)存管理方面，MMU通過頁面表（Page Table）實現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理
頁面表是一種數(shù)據(jù)結構，記錄了每個虛擬頁面和其對應的物理頁面之間的映射關系
當CPU發(fā)出一個虛擬地址時，MMU會通過頁面表查找并將其轉(zhuǎn)換為對應的物理地址
此外，MMU還可以通過頁面表實現(xiàn)內(nèi)存保護和共享等功能，從而進一步提高系統(tǒng)的安全性和效率
MMU的工作原理 為了更好地理解MMU的工作原理，我們需要結合“Linux MMU圖”進行說明
這張圖展示了Linux系統(tǒng)中MMU如何通過虛擬地址和物理地址之間的映射，實現(xiàn)內(nèi)存的有效管理
1. 地址翻譯 在處理器上運行一個操作系統(tǒng)（如Linux）時，用戶編寫的源程序需要經(jīng)過編譯、鏈接得到可執(zhí)行文件，然后被操作系統(tǒng)加載執(zhí)行
在這個過程中，編譯、鏈接時會指定一個鏈接描述腳本，該腳本控制可執(zhí)行文件中各段（Section）和符號的內(nèi)存布局
假設有兩個程序ProgramA和ProgramB，它們分別需要占用內(nèi)存空間0x100-0x200
在沒有MMU的情況下，如果ProgramA先被加載到該地址執(zhí)行，ProgramB就無法再被加載，因為后者會覆蓋ProgramA的內(nèi)存空間，導致ProgramA執(zhí)行失敗
為了解決這個問題，操作系統(tǒng)和處理器引入了MMU
MMU通過地址翻譯，為每個程序建立獨立的地址翻譯表
例如，ProgramA被加載到地址0x500-0x600處，ProgramB被加載到地址0x700-0x800處，并分別建立各自的地址翻譯表
當處理器執(zhí)行ProgramB時，會使用ProgramB的地址翻譯表，將虛擬地址0x100翻譯為實際物理地址0x700，從而避免內(nèi)存沖突
2. 虛擬內(nèi)存管理 MMU的地址翻譯功能不僅解決了內(nèi)存沖突問題，還為用戶提供了比實際大得多的內(nèi)存空間
用戶在編寫程序時，無需關心實際內(nèi)存大小，只需認為內(nèi)存大小是“2^指令地址寬度”
MMU會將超出實際內(nèi)存的虛擬地址翻譯為物理地址進行訪問
虛擬內(nèi)存管理通常采用頁式、段式或段頁式內(nèi)存管理方式
其中，頁式內(nèi)存管理將虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存空間劃分為大小固定的塊，每一塊稱為一頁
以頁為單位分配、管理和保護內(nèi)存
此時，MMU中的地址翻譯表稱為頁表，每個任務或進程對應一個頁表
“Linux MMU圖”展示了頁表的工作原理：虛擬地址被劃分為頁號和頁內(nèi)偏移量，頁號用于在頁表中查找對應的物理頁幀號，頁內(nèi)偏移量用于計算物理地址
例如，頁大小為256字節(jié)，虛擬地址0x104對應的虛頁號是0x1，頁內(nèi)偏移量是0x4
假設通過頁表翻譯得到的物理頁號是0x7，那么0x104對應的物理地址就是0x704
3. 內(nèi)存保護 除了地址翻譯功能外，MMU還提供了內(nèi)存保護功能
在頁式內(nèi)存管理中，可以對單一內(nèi)存頁設置某一類用戶的讀、寫、執(zhí)行權限
例如，一個頁中存儲的代碼不允許在用戶模式下執(zhí)行，可以設置該頁的保護屬性
當處理器在用戶模式下嘗試執(zhí)行該頁的代碼時，MMU會檢測到并觸發(fā)異常，從而保護代碼不被非法訪問
這種內(nèi)存保護機
