今天又是粉丝问题回答，有好几个粉丝让我分享一下mmu的原理以及作用，我才疏学浅，不会分享到mmu的具体实现细节，毕竟这个是IC设计的事情。并且不同的厂商不同的架构实现方式肯定是有区别的。我们今天主要从软件看到的角度来分析mmu的作用。我觉得这对于os以及软件这样的理解足够了。
我更多的是传递一种思想，目的是大家学习到一种新东西的时候能够举一反三。思想比工具更加重要。
那么什么是mmu呢，英文是Memory Management Unit，翻译过来就是内存管理单元。为什么要引入mmu呢？我们先从历史角度解释这个问题。当我们带着问题来思考这个问题的时候，那么一切一切思想就有了因果关系。新事物的出现就是为了解决遇到的问题。不是吗
早期的处理器不存在mmu，我们软件中的一个指令访问的地址直接就是代码中是什么地址，那么总线上就是什么地址，也就是代码中的地址就是物理地址。这样在软件规模还比较小的时候，似乎没有什么，但是对于多应用程序，系统中有十个程序，那么这十个程序都访问物理地址，程序员就要统一规划这些程序各自占用哪些物理地址空间。但是如果是100个程序呢？理论上每一个程序都可以访问系统所有的物理地址，那么这100个怎么避免冲突，怎么统一规划地址空间。这整个都是一个问题。为了解决这个问题。虚拟内存的概念就提出来了，伴随着硬件上的mmu也就出现了。当开启虚拟地址访问的时候，这个时候代码中同样的一段代码，这个时候代码中访问的地址就不再是物理地址了，而是虚拟地址。他需要经过mmu的转换变为物理地址。
假设代码中都执行下面这两句代码：我们是以x86的指令来说明的，arm也是类似
//将0x1000000赋值给eax寄存器mov 0x1000000 %eax//将100写入eax寄存器所指向的内存地址，也就是将100存入内存0x1000000mov 100 (%eax)//上面这两句可以类比为c语言如下更容易理解int * p=(int*)(0x1000000)；*p=100；//更简化的类比如下：(*(int*)(0x1000000))=100;
大家可以看到上面这段代码我说的都是内存地址，并没有说是物理地址或者虚拟地址。接下来我们看看就这段代码假设在有mmu和没有mmu下的不同，我用图来说明
在没有mmu的时候或者没有开启mmu的时候这个形象的拓扑图如下
可以看到cpu指令的0x1000000直接当成物理地址发送到物理内存寻址
我们再看看如果开启了mmu的时候是怎样的。
可以看到同样的一段代码在开启mmu的时候，代码中写的地址0x1000000被当成虚拟地址，然后经过mmu映射，得到物理地址xxxx，然后访问内存物理地址的xxxx地址。这就是有mmu和没有mmu的区别。
我们上图为了方便将cpu和mmu独立画出来，目的是为了描述问题，实际通常是soc，拓扑过程比这个复杂，但是从os和软件角度这样的类比足够了。
上面是从宏观角度说明了mmu的作用，以及对软件的影响。那么这样中间多一个环节有什么好处呢？上图中的这个0x1000000是怎么转换为xxxx的呢？
带着这几个问题，我们继续。
第一个问题，mmu的优缺点
优点：首先有了mmu之后我们的程序地址空间就可以统一起来了，尤其是对于应用程序。我们的系统有1000个程序，那么我们写代码的时候不用再考虑这1000个程序的地址空间冲突重叠，我们不用做这样的划分。这1000个程序可以访问的虚拟地址可以完全是一样的。经过mmu之后，他们得到的物理地址可是不一样的，当然也可以一样。这样的好处显而易见。各个程序相互不影响。极大的扩展性。各个程序相互不影响，提高了安全性。
缺点:首先说明一下，这个缺点是我的猜测，也许是错的。我们能看到多了中间转换环节。那么是不是意味着速度会降低。影响了效率。当然我不知道，这个仅仅是我的一个猜测。
第二个问题，上图中的0x1000000是怎么转换为物理地址xxxx的？
mmu有有各种各样，32bit的转换，64bit的转换，并且这个虚拟地址分段的方式不同。我们以最简单的32bit的方式来说明，因为原理都是一样的。
这幅图就是32bit两级映射情况下将虚拟地址转换为物理地址的拓扑。我们依次解释
上图中的绿色部分和浅蓝色部分都是在物理内存里面，只不过绿色部分比较特殊，它里面放的是映射关系也就是映射表，也是我后面称为的字典。蓝色部分是通用的内存。
CR3是x86处理器的一个寄存器，以32bit为例，0-11bit有几个是控制缓存映射体系那个之类的，我们忽略。我们重点关注的是映射。12-31bit这20个bit位存储的是上图绿色部分的page directory的物理地址的的高位部分，低12位是0，也就是说CR3的12-31bit表示的数值扩大4096倍就是page directory的物理地址。
同样page directory里面的每一项PDE也是32bit。低12bit位存储一些权限，缓存控制之类的位，从12-31位是下一级page table的高位部分，同样也是PDE的12-31bit代表的数值扩大4096倍得到的是一个page table的物理地址。整个如下图所示
也就是CR3和PDE，PTE的蓝色高位都是地址，红色低12位都是用来控制缓存，脏页等等结构的一些bit位定义，当然这三个的属性控制位定义都不一样。我们不关注。要得到这三个项代表的物理地址那么就是将这红色部分全部当成0所对应的数值就是对应表的物理地址。
这个CR3在x86下是CR3，在其他的架构有类似的其他的寄存器，并且属性控制位的定义也各有不同。我们重点关注软件角度的原理。
比如我们的0x1000000这个虚拟地址是怎么找到物理地址的呢，将0x1000000按照10，10，12bit分为三段，我们可以知道0x1000000的二进制是：
1 0000 0000 00000000 0000 0000
绿色部分是directory：4，红色部分是table：0，蓝色部分是offset：0
可以看到这三段对应的值分别是7，0，0。转换过程就是CR3找到page directory，然后找到这个page directory里面的第4项，每一项是32bit。这个第4项的32bit位又按照上图我们PDE画的这个忽略低12位为0得到一个地址是page table。然后0x100000000的二进制红色部分是0，那么找到page table里面的第0项的32bit。这32bit继续按照这个方式得到一个物理地址。然后这个物理地址加上0x1000000里面的offset为0这样就得到该虚拟地址对应的物理地址
可以看到无论这个虚拟地址的低12位怎么变化，寻找的pde和pte不会变化，也就是说一个映射项可以映射4K的物理地址。
这个是映射转换的过程。那么问题又来了，这CR3里面的值以及这些映射表page directory和page table是谁填写的呢？并且除了CR3是寄存器，这个page directory和page table也在内存里面。他是怎么访问的呢？这个就是我前面文章说的鸡生蛋蛋生鸡的逻辑？
我们解释了这个转换过程，结果又引出了新的问题哈哈。我们接着解释：
原因就是mmu是有开关的通过寄存器控制，无论是arm还是x86都有类似的寄存器，让系统开启mmu。在x86下就是保护模式。也就是说在开启mmu前，我们要先规划好我们的os的地址空间，然后找一块物理内存作为page directory和page table，然后在里面预先填写一些项，这样就为一些物理内存建立了虚拟映射。然后我们开启mmu(也是通过设置某个寄存器)。这个时候我们代码中同样的一条指令，指令中的地址在开启了mmu之后就被当成虚拟地址，经过上面这幅图转化。当然假设我们随便访问一个地址0xabcxxx之类的，也许这个地址在映射表中并没有映射关系，那么就会触发异常中断，page fault之类的。
