内存管理单元

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MC68451内存管理单元,可与摩托罗拉68010处理器协同使用

内存管理单元英语memory management unit,缩写为MMU),有时称作分页内存管理单元英语paged memory management unit,缩写为PMMU)。它是一种负责处理中央处理器(CPU)的内存访问请求的计算机硬件。它的功能包括虚拟地址物理地址的转换(即虚拟内存管理)、内存保护、中央处理器高速缓存的控制,在较为简单的计算机体系结构中,負責总线仲裁以及存储体切换bank switching,尤其是在8位的系统上)。

工作机制[编辑]

现代的内存管理单元是以页的方式,分割虚拟地址空间(处理器使用的地址范围)的;页的大小是2的n次方,通常为几KB。地址尾部的n位(页大小的2的次方数)作为页内的偏移量保持不变。其余的地址位(address)为(虚拟)页号。内存管理单元通常借助一种叫做轉譯旁觀緩衝區Translation Lookaside Buffer,缩写为TLB)的相联高速缓存(associative cache)来将虚拟页号转换为物理页号。当后备缓冲器中没有转换记录时,则使用一种较慢的机制,其中包括专用硬件(hardware-specific)的数据结构(Data structure)或软件辅助手段。这个数据结构称为分页表,页表中的数据就叫做页表项(page table entry,缩写为PTE)。物理页号结合页偏移量便提供出了完整的物理地址。

页表或转换后备缓冲器中数据项包括的信息有:一、“脏位”(页面重写标志位)(dirty bit)——表示该页是否被写过。二、“存取位”(accessed bit)——表示该页最后使用于何时,以便于最近最少使用页面置换算法least recently used page replacement algorithm)的实现。三、哪种进程可以读写该页的信息,例如用户模式user mode)进程还是特权模式supervisor mode)进程。四、该页是否应被高速缓冲的信息。

有时,TLB或PTE会禁止对虚拟页的访问,这可能是因为没有物理随机存取存储器random access memory)与虚拟页相关联。如果是这种情况,MMU将向CPU发出页错误page fault)的信号。操作系统operating system)将进行处理,也许会尝试寻找RAM的空白帧,同时建立一个新的PTE将之映射到所请求的虚拟地址。如果没有空闲的RAM,可能必须关闭一个已经存在的页面,使用一些替换算法,将之保存到磁盘中(这被称之为页面调度paging)。在一些MMU中,PTEs或者TLB也存在一些缺点, 在这样的情况下操作系统将必须释放空间以供新的映射。