MMU的重要性不言而喻，支撐操作系統之上的各種復雜應用。但在正式講MMU之前，我們先說說MMU的發展史，因為ARMv8-A的MMU相當復雜，直接切入正題，會顯得比較枯燥。廢話不多說，咱們馬上開始：

一、前言

關于虛擬內存系統的演變史，MMU在其中扮演了什么樣的角色。

早期計算機是沒有MMU的概念的，也沒有對存儲器的抽象，直接將物理內存暴露給程序用。那個時候硬件資源有限，大家都勒緊褲腰帶寫程序，不敢多浪費一個字節。我曾經規劃過一個游戲掌機的開源項目，將早期的街機游戲移植到現代硬件上。

在調研階段我就發現，這些程序都很小，只有十幾KB，但無一例外，都是對內存進行直接操作(有點類似單片機/微控制器編程)。

圖 1.1 GAME BOY 掌機

但在那個年代，硬件的迭代速度不如軟件快，而彼時的代碼業務邏輯已經相當復雜，程序的體積呈指數級增長。

所以早期開發人員，為了使得越來越龐大的程序，能夠在資源有限的硬件上運行，發明了ovelay-覆蓋塊技術，對程序進行分割、分段運行。

但這招治標不治本，并不能保證程序運行的足夠順暢，反而要為程序分段，增加的額外的工作量，這是一件相當痛苦的事情。所以開發人員把目光看向了硬件，決定從軟硬兩個方向下手。

說到這里，就不得不提一下早期的虛擬化技術。該技術的硬件虛擬化方向，為以后MMU的發展奠定了基礎。

“硬件虛擬化”在狹義上是對內存、硬盤等硬件做虛擬化處理(軟件為主)，配合操作系統以達到分時復用的效果。1964 年，IBM 推出了大名鼎鼎的 System/360。它不僅提供了新型的操作系統，還實現了基于全硬件虛擬化(Full Hardware Virtualization)的虛擬機解決方案。

圖 1.2 IBM? 員工在調試機器

這其中就包括頁式虛擬內存(4k 分頁虛擬存儲系統)、虛擬磁盤以及 TSS 分時系統。System/360 最多可提供14個虛擬機，每個虛擬機具有 256k 固定虛擬內存。有意思的是，System/360 的開發過程被視為了計算機發展史上最大的一次豪賭，為了研發 System/360，IBM 決定征召六萬多名新員工，創建了五座新工廠。即便如此，當時的出貨時間仍被不斷順延。

在后續的計算機發展中，內存被操作系統抽象出來，作為地址空間進行統一管理，按需分配給應用程序使用。這樣作為內存的硬件細節(容量/類型/廠商/...)被操作系統隱藏了，程序只需要關心地址空間就可以。

同時操作系統引入了虛擬化技術，可以對內存進行"擴容"，本質是對內存的分時復用，讓每個程序認為自己獨占了整個地址空間。但是這樣做效率并不高，因為操作系統需要不斷地做內存搬運。并且操作系統還要為內存的管理算法，付出許多額外的計算(比如地址翻譯)，非常浪費性能。

所以我們就需要設計硬件，來代替一些比較繁瑣復雜的流程。最好能形成標準流程化操作，這樣做成的硬件，可以持續優化(GPU也是這么出現的)。

因此，MMU誕生了，它接替了操作系統內存管理的比較復雜的部分，比如地址翻譯;內存訪問效率，則交給了 cache(高速緩存)去做，或者提高內存總線的帶寬。

在現代操作系統中，衍生了一種更先進的內存管理技術，叫做虛擬內存系統，這是對主存的一種抽象概念。它由硬件異常、物理地址翻譯、主存、磁盤文件和內核軟件相互配合，共同組成。

虛擬內存系統主要提供了三種能力：

1. 提供主存的高速緩存，加快內存訪問速度(高速緩存)；

2. 為每個進程提供一致的地址空間，從而簡化內存管理；

3. 防止每個進程的地址空間被其他進程所破壞(內存保護)。

圖 1.3 虛擬內存系統簡易圖

MMU的作用，就是將虛擬地址翻譯成物理地址。簡單來說，CPU會生成一個虛擬地址(Virtual Address)來訪問主存(這個地址實際上是操作系統來產生的，最后交給CPU執行)。訪問之前，需要先將虛擬地址轉換為物理地址，這個過程稱作為地址轉換(地址映射/地址翻譯)。

為進行此操作，需要CPU硬件和操作系統合作，通過內存管理單元(Memory Management Unit)上的硬件翻譯地址，來完成虛擬地址到物理地址的轉換。MMU利用存儲在主存上的查詢表(translation table)來翻譯虛擬地址，該表的內容由操作系統維護和管理。

圖 1.4 MMU地址翻譯/轉換簡化流程

說到這里，你可能對MMU的描述感到云里霧里，但不要緊，接下來我們會對它抽絲剝繭，一點點講清楚。不過我們還需要對操作系統的虛擬內存系統，做一些更詳細的講解，這樣再看MMU，就會非常輕松了。記住，這個先后順序非常重要。

二、虛擬內存系統的原理

這里我們只探討虛擬內存系統如何管理虛擬內存的，關于cache部分，我們另說。

一般虛擬內存系統會將虛擬內存，劃分為固定大小的塊(又叫做最小粒度，一般有4KB、16KB、64KB等大小，其中4KB最流行)，這個塊我們稱作為虛擬頁(Virtual Page簡稱VP)，同理將物理內存劃分為物理頁(Physical Page簡稱PP)，也叫頁幀(Page Frame)。

每個虛擬頁的首地址，會被維護在一個表內，這個表叫做查詢表或頁表(Page Table，簡稱PT)，頁表內的每一個條目，被稱為頁表項(Page Table Entry，簡稱PTE)。

這個頁表可能有多級，一般來說，級數越多，能覆蓋的虛擬地址范圍就越大。在多級頁表當中，除最后一級頁表之外的所有頁表，它的頁表項存放的不一定是物理頁，也可能是下一級頁表的地址。

圖 2.1 虛擬內存系統的地址翻譯/轉換流程

在這個基礎上，虛擬系統會產生一個虛擬地址，由虛頁號+頁偏移組成。虛頁號存放的一般是頁表項的偏移地址(也可能是多級頁表的組合)，通過對頁表的不斷查詢，最后找到對應的物理頁(的首地址)，然后加上虛擬地址的頁偏移，就能順利計算出真實的物理地址。如圖2.2所示：

圖 2.2 虛擬內存系統的地址翻譯/轉換詳細流程

這個流程，可以用一個很恰當的例子去描述，就是在地圖軟件上找一個地方兒。

以我在地圖上找酒店入住為例，目的地在“四川省-成都市-青羊工業區-成飛路-5號”。于是，我通過手機軟件，找到一家到酒店，位置是“四川省-成都市-青羊工業區-成飛路10號”。

哎~，有意思的地方來了， 現在我們以虛擬內存系統的概念，去套這個地址。

首先說虛擬地址(映射為我們生活上劃分的位置)。“四川省”是一級頁表項的偏移地址，一級頁表的范圍最大，它有好多個城市(頁表項);“成都市”是二級頁表項的偏移地址，二級頁表的范圍次之，它有好多個區(頁表項);“青羊工業區”是三級頁表項的偏移地址，三級頁表的范圍已經很小了，但是它也有好多條路(頁表項);成飛路就是四級頁表項的偏移地址，通過訪問成飛路這個頁表項，就可以找到它代表的物理頁，里面有很多地址(也就是門牌號)，目的地在5號，我要住的酒店在10號。

再說對應物理地址。這里從地理角度講，可以劃分為不同的坐標，這里我們就把四川省劃分為同等大小的區域，正好被虛擬地址規定的幾級頁表瓜分。這個區域(路)就是物理頁，假設坐標的最小尋址單位，就是通過門牌號尋址。現在，我們再變化一下圖2.2，那么你就可以清晰的認識這個過程了。

如圖2.3(一定要好好觀察，并結合我上面的文字走一遍這個流程，圖中的每一個箭頭都有意義，應該好好研究)：

圖 2.3 類比地址轉換

同樣的道理和方法，就可以找到我酒店的位置，是不是沒有想象中那么復雜?而MMU的工作，主要就是做地址的轉換、翻譯。在這里，虛擬內存系統主要扮演的角色，維護多級頁表，控制虛擬地址的映射范圍。虛擬系統一般是操作系統的組成部分，這部分工作，也可以說是操作系統幫我們做了。MMU只需要不停地從頁表里逐級查找，得到最后的物理頁，然后結合虛擬的地址后半部分的頁偏移，計算真實的物理地址。

不知道大家有沒有注意到，上面我說過，“最后一級頁表前的所有頁表，它的頁表項存放的不一定是物理頁，也可能是下一級頁表的“頁表項的偏移””，反過來講，每一級頁表項，都可以存放物理頁和下一級頁表的地址，這里我們給存放物理頁的頁表項叫做塊(Block Entry，簡稱BE);給存放下一級頁表地址的頁表項叫做TE(Table Entry，簡稱TE，中文不知道叫啥)。不同的是，每一級頁表項存放的塊，它的大小是不同的。一般一級頁表的塊最大，之后逐級遞減。

最后，大家可以思考一下，頁表級數、塊大小的不同，會對地址翻譯產生什么樣的影響?如果我的CPU只有32位，但是我想實現大于32位地址范圍的虛擬地址訪問，又該如何操作?

今天先講到這個，以上全當一道開胃菜兒。關于MMU的故事，我們娓娓道來。關于我上面提出的問題，我們將在下一篇文章揭曉，并為大家介紹ARM的MMU是如何工作的。