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尤其在Linux系統(tǒng)中，MMU的作用尤為關(guān)鍵
本文將深入探討Linux系統(tǒng)中的MMU，并結(jié)合“Linux MMU圖”來詳細(xì)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(shí)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(shí)提供訪問權(quán)限的控制和緩存管理等功能
MMU是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理
頁面表是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，記錄了每個(gè)虛擬頁面和其對(duì)應(yīng)的物理頁面之間的映射關(guān)系
當(dāng)CPU發(fā)出一個(gè)虛擬地址時(shí)，MMU會(huì)通過頁面表查找并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的物理地址
此外，MMU還可以通過頁面表實(shí)現(xiàn)內(nèi)存保護(hù)和共享等功能，從而進(jìn)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(jié)合“Linux MMU圖”進(jìn)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(shí)現(xiàn)內(nèi)存的有效管理
1. 地址翻譯 在處理器上運(yùn)行一個(gè)操作系統(tǒng)（如Linux）時(shí)，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(gè)過程中，編譯、鏈接時(shí)會(huì)指定一個(gè)鏈接描述腳本，該腳本控制可執(zhí)行文件中各段（Section）和符號(hào)的內(nèi)存布局
假設(shè)有兩個(gè)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?yàn)楹笳邥?huì)覆蓋ProgramA的內(nèi)存空間，導(dǎo)致ProgramA執(zhí)行失敗
為了解決這個(gè)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(gè)程序建立獨(dú)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(dāng)處理器執(zhí)行ProgramB時(shí)，會(huì)使用ProgramB的地址翻譯表，將虛擬地址0x100翻譯為實(shí)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(shí)際大得多的內(nèi)存空間
用戶在編寫程序時(shí)，無需關(guān)心實(shí)際內(nèi)存大小，只需認(rèn)為內(nèi)存大小是“2^指令地址寬度”
MMU會(huì)將超出實(shí)際內(nèi)存的虛擬地址翻譯為物理地址進(jìn)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(hù)內(nèi)存
此時(shí)，MMU中的地址翻譯表稱為頁表，每個(gè)任務(wù)或進(jìn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)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(hào)和頁內(nèi)偏移量，頁號(hào)用于在頁表中查找對(duì)應(yīng)的物理頁幀號(hào)，頁內(nèi)偏移量用于計(jì)算物理地址
例如，頁大小為256字節(jié)，虛擬地址0x104對(duì)應(yīng)的虛頁號(hào)是0x1，頁內(nèi)偏移量是0x4
假設(shè)通過頁表翻譯得到的物理頁號(hào)是0x7，那么0x104對(duì)應(yīng)的物理地址就是0x704
3. 內(nèi)存保護(hù) 除了地址翻譯功能外，MMU還提供了內(nèi)存保護(hù)功能
在頁式內(nèi)存管理中，可以對(duì)單一內(nèi)存頁設(shè)置某一類用戶的讀、寫、執(zhí)行權(quán)限
例如，一個(gè)頁中存儲(chǔ)的代碼不允許在用戶模式下執(zhí)行，可以設(shè)置該頁的保護(hù)屬性
當(dāng)處理器在用戶模式下嘗試執(zhí)行該頁的代碼時(shí)，MMU會(huì)檢測(cè)到并觸發(fā)異常，從而保護(hù)代碼不被非法訪問
這種內(nèi)存保護(hù)機(jī)
