存储器管理单元(Memory Management Unit, MMU)

目录

• 主要功能
• 关键技术
• 工作流程
• 现代MMU特性

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存储器管理单元(Memory Management Unit, MMU)是计算机系统中负责处理中央处理器(CPU)内存访问请求的硬件组件，是现代计算机体系结构中的重要部分。

主要功能

1. 虚拟内存管理：

   • 将虚拟地址转换为物理地址
   • 实现内存抽象，使每个程序仿佛拥有独立的地址空间

2. 内存保护：

   • 防止用户进程访问内核内存区域
   • 防止进程间相互干扰

3. 地址转换：

   • 通过页表(page table)或段表(segment table)实现地址映射
   • 支持多级页表结构以节省内存

关键技术

1. 分页机制：

   • 将内存划分为固定大小的页(通常4KB)
   • 使用页表记录虚拟页到物理页帧的映射

2. 分段机制：

   • 将内存划分为逻辑段(代码段、数据段等)
   • 提供更自然的程序内存视图

3. TLB(转换后备缓冲区)：

   • 缓存最近使用的地址转换结果
   • 显著减少地址转换时间

工作流程

1. CPU发出虚拟地址访问请求
2. MMU检查TLB中是否有缓存转换结果
3. 若TLB未命中，则查询页表进行地址转换
4. 检查访问权限是否合法
5. 将物理地址发送到内存总线

现代MMU特性

• 支持多种页大小(如4KB、2MB、1GB)
• 提供ASID(地址空间标识符)支持快速上下文切换
• 支持大物理地址扩展(PAE)
• 硬件加速的页表遍历

MMU的存在使得操作系统能够实现虚拟内存、内存保护和高效的进程隔离，是现代多任务操作系统的基石之一。