操作系统实现之路PowerPCCPU内存管理机制解析

在嵌入式开发领域，Power PC、ARM等功耗相对较低的CPU应用得比较广泛，在此简单介绍一下Power PC的内存管理机制，作为对Intel CPU内存管理机制内容的一个补充。

图5-14示意了PPC（Power PC）CPU的内存管理机制。

图5-14 Power PC的内存转换机制

在PPC的指令系统中，最初的地址叫做有效地址。在32位CPU中，有效地址是32位的。有效地址与IA32内存管理机制中的线性地址类似，在PPC中所有编程层面涉及的地址，包括对指令和数据的寻址，都是以有效地址进行的。

PPC的实现，可以把内存分成4KB大小的页面，以分页机制进行管理；也可以把物理内存分成长度可变化（但最小长度不能低于128KB）的块（Block），以块为单位进行管理。在以页为基础的内存管理机制中，进一步把页组织成段，整个地址空间被分割成大小为256MB的16个段，分别对应16个段描述符。与IA32的一个不同点是PPC的段数量是固定的，整个系统就是16个。以块（Block）为基础的管理机制中，对每个块有一个BAT与之对应，系统中的BAT组成一个寄存器数组。进行内存寻址时，CPU会对一个虚拟地址同时进行BAT匹配和段匹配（以虚拟地址的高4比特来索引一个段描述符），其中BAT优先级更高，即若虚拟地址匹配BAT成功，则对段的匹配将被忽略，否则使用段匹配结果进行寻址。(www.xing528.com)

下面重点介绍一下PPC的段页管理机制。CPU在寻址的过程中，根据虚拟地址的高4比特定位到一个段描述符之后，根据段描述符中的一个特殊的标志（T标志）来确定进一步的动作。若T标志为0，则进入分页机制的处理程序，根据段描述符以及虚拟地址的剩余比特形成一个虚拟地址（虚拟地址的长度是52bit），然后根据虚拟地址查找段表，进而获得物理地址；若T标志为1，则进入一种叫做Direct-Store的处理程序，这种处理程序是老式PPC CPU上的一种加快设备访问的机制，在新的PPC CPU中将会被淘汰，因此不必太关注。图5-15示意了PPC CPU根据虚拟地址获取物理地址的过程。

图5-15 Power PC的段页管理机制

在查找段表的过程中，会把52bit的虚拟地址中的VPN（虚拟页面号，实际上是VPN字段中的一部分比特），通过一个特定的HASH算法，获得目标页表项在页表中的物理地址，进而分析页表项，从中获得物理地址。既然是HASH算法，就可能会出现冲突。在不冲突的情况下，一次就可以获得正确的页表项，若出现了冲突，则进一步采用冲突处理算法，依次比较冲突的目标项，从中选择匹配的一项。通过合理地设计页表组织结构和大小（由操作系统完成），可以大大提高命中率。

需要注意的是，与IA32 CPU一样，PPC CPU也有一种实地址模式（Real AddressMode）。在这种模式下，PPC的有效地址直接映射为物理地址，但与IA32的实地址模式不同的是，IA32的实地址模式是16位模式。