MMU之获取物理地址

MMU，Memory Management Unit，存储管理单元。输入一个虚拟地址和一个地址映射表的基地址，输出一个物理地址。

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获取物理地址的详细过程如下图：

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图中VA代表虚拟地址（virtual address），PA代表物理地址（physical address）。

什么是虚拟地址？为什么使用虚拟地址？本文不做介绍，请自行了解。

地址映射表是一张记录着虚拟地址和物理地址的映射关系的表格，它存储在DRAM中。查找到的物理地址需要加上一个偏移量才是最终的物理地址，该偏移量通过取虚拟地址的若干位得到。地址映射表可以有多级。一级页表需要查表一次即可得到一个物理地址，二级页表需要查表两次，以此类推。通常多级页表结构的MMU会通过加入高速缓存来减少查表次数，从而加快访存速度。

拿GPU中的MMU举例，

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• 图中#1过程传输的数据一般有：顶点数据、纹理数据、页表数据等；地址为物理地址；
• 图中#2过程一般包含：寄存器读写和中断；地址为寄存器地址；
• 图中#3过程除了#1中所述数据之外，还有GPU产生的中间数据，比如：染色后的顶点、片段数据等；地址为虚拟地址。

GPU若要正确的读写DDR，必须通过MMU获取到正确的物理地址。

地址映射表的基地址通过配置寄存器告诉GPU。地址映射表的基地址是一个物理地址。 地址映射表由驱动程序产生。

伪代码表示MMU获取物理地址过程如下（没有高速缓存的情况）：

uint8_t mem[SIZE]; // 显存

uint64_t va = 0x89ab1234567; // 输入的虚拟地址
uint32_t pgt_l0_base = 0x0;  // 第一层级地址映射表的基地址

uint32_t offset_0 = va[47:39] * 8; // 从va的第39到47位得到在第一层级地址映射表的偏移量
uint32_t pgt_l1_base = mem[pgt_l0_base + offset_0];  // 第二层级地址映射表的基地址，参看图1

uint32_t offset_1 = va[38:30] * 8; // 从va的第30到38位得到在第二层级地址映射表的偏移量
uint32_t pgt_l2_base = mem[pgt_l1_base + offset_1];  // 第三层级地址映射表的基地址

uint32_t offset_2 = va[29:21] * 8; // 从va的第21到29位得到在第三层级地址映射表的偏移量
uint32_t pgt_l3_base = mem[pgt_l2_base + offset_2];  // 第四层级地址映射表的基地址

uint32_t offset_3 = va[20:12] * 8; // 从va的第12到20位得到在第四层级地址映射表的偏移量
uint32_t pa_base = mem[pgt_l3_base + offset_3];  // 物理地址的基地址

uint32_t offset = va[11:0]; // 从va的第0到11位得到物理地址的偏移量
uint32_t pa = pa_base + offset; // 得到最终的物理地址，参看图2