嵌入式操作系统中基于MIPS处理器的内存管理机制实现

郭 锋，王宏伟，黄保垒，齐晓斌

（中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065）

1 嵌入式操作系统在内存管理中的特点

嵌入式操作系统通常具有实时性强、安全性高、资源受限等特点，因此，大部分嵌入式操作系统在内存管理方面具有以下特征：

（1）对存储器采用实地址平板方式进行管理，操作系统和用户应用都运行在核心态。当需要操作系统接管时，避免了用户态向核心态切换带来的开销，确保了系统响应的实时性。

（2）对堆空间统一进行管理，系统堆和用户堆不作区分，降低了系统维护的复杂度。

（3）提供页面管理功能，支持内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）存储保护，防止用户对关键内存进行非法访问，保证了系统的安全。

2 MIPS处理器内存管理的特点

2.1 MIPS的基本地址空间

无内部互锁流水级的微处理器（Microprocessor without Interlocked Pipelined Stages，MIPS）运行在用户态或核心态，在32位模式下，程序地址空间被划分为4个区域。在不同模式下，程序可以访问的地址空间是有区别的：用户态只能访问低2G的地址空间，核心态可以访问所有4G的地址空间[1]，如图1所示。根据各区域地址空间的特点，对空间访问属性进行总结：（1）Kuseg，只有用户态可以访问，经过cache，需要MMU映射。

图1 32位模式下MIPS处理器的地址空间

（2）Kseg0，用户态和核心态都可访问，经过cache，不需要MMU映射。

（3）Kseg1，用户态和核心态都可访问，不经过cache，不需要MMU映射。

（4）Kseg2，用户态和核心态都可访问，经过cache，需要MMU映射。

2.2 MIPS处理器的内存管理机制

现在的计算机都是通过MMU把程序地址转换成存储器的物理地址，转译后备缓冲器（Translation Lookaside Buffer，TLB）是MMU中一个重要的加速转换部件。MIPS处理器采用双倍存储的TLB管理，每一个TLB表项可以容纳一对相邻的虚拟页面对应的两个单独的物理地址，TLB可管理的页大小为4～16 KB。4 K页大小的TLB结构，输入域中VPN2为虚拟页号，ASID为地址空间标识，PageMask用于设置页大小，G位表示进程共享的地址空间；输出域中的PFN对应两个连续的奇偶物理页，flag域包含3个页属性，分别为页有效（V）、写允许（D）和页的cache属性（C）。MIPS的TLB表项如图2所示。

图2 MIPS的TLB表项

3 嵌入式操作系统中MIPS处理器的内存管理机制实现

3.1 页面设计

传统的操作系统采用4 K页大小。在32位地址空间模式下，若采用一级页表方式，需要连续的4 MB内存来存放页表，这对内存资源的要求比较高；若采用二级页表的方式，最大连续空间只需要4 KB，虽然对存储的要求大大降低，但是在TLB未命中需要换页时，多了一次访存操作，系统的效率降低，二级页表也有可能引发TLB二次充填问题，增加了系统维护的复杂程度[2]。

在实际使用中，很少有程序用到整个32位的寻址空间，多数程序在自己的地址空间内部有巨大的空洞。基于这一特性，在地址映射时，避免对空洞的映射，可以有效减少页表带来的内存开销。

综合考虑存储效率与访问效率，本研究使用16 K页大小、一级页表的方式进行页面管理。在内存占用率方面，考虑到kseg0和kseg1地址区域不需要进行映射，每个页表项可以映射两个物理地址，因此，最多需要存储96 K 6个页表项，每个页表项占用4 B空间，最多需要384 KB的地址空间用于存储页表，如果能有效避开程序中的空洞映射，存储页表所需的空间还会大大减少。16 K页表比4 K页表能容纳更多的内容，因此，可以减少换页的次数，从而减少时间开销[3]。采用这种方式，既减少了换页时访存次数带来的时间开销，又可以避免TLB二次充填问题，因此，是一种合理的设计方案。

3.2 基于MMU的内存管理

需要MMU进行管理的地址空间只能位于kseg2或kuseg区域，只有合法的地址空间才允许进行页面操作。对页面的操作主要有以下6种情况：（1）创建页映射；（2）删除页映射；（3）获取页属性；（4）设置页属性；（5）使能cache属性；（6）禁止cache属性。除了创建页映射外，其他几种操作仅当页面存在时才有效。页属性与上文中的描述一致，对cache属性的操作也属于设置页属性的范畴。对页面cache的设置是用户比较关心的操作，因此，将其单独提取出来。基于MMU的内存管理流程如图3所示。

图3 基于MMU的内存管理流程

3.3 嵌入式操作系统中的地址映射与虚实地址转换

在嵌入式操作系统中MIPS处理器的地址映射中，kseg0区域和kseg1区域直接映射到低端物理地址，kseg2和kuseg区域可以映射到任意空间。以LS2H处理器地址映射为例，kseg0空间和kseg1空间都映射到0x0地址空间，其他地址空间的映射关系如图4所示[4]。以0地址开始的第一个页面不做映射，可以避免用户使用空指针带来的问题。

图4 一种MIPS处理器的地址映射关系

针对上述地址映射关系，在虚拟地址和实地址进行转换时，不同区域区别对待，其中，kuseg区域被分为3个部分，分别为kuseg0，kuseg1和kuseg2，具体转换方法如表1所示。

表1 虚实地址转换

4 内存拷贝速率测试结果

本研究设计并实现了一种在嵌入式操作系统中基于MIPS处理器的存管理方法，在LS2H开发平台完成了测试。经测试验证，内存管理部分的功能基本正确。对各区域的内存拷贝速率进行了测量，如图5所示，使用MMU的区域存储访问速度和非映射cache区域的访问速率基本相当，表明MMU的功能正确且性能符合系统需求。kseg1区域的访问速度远小于其他区域，是因为该区域空间的访问是不经过cache的。

图5 内存拷贝速率测试结果