受到xv6的启发，我也想给我襁褓之中的“操作系统”赋予内存管理功能。一个完善的内存管理需要考虑很多failover，缓存、tlb、page replacement等诸多功能，导致实际中使用的内存管理系统非常复杂。我决定我的内存管理从设计开始就极度简化，只实现最基础的功能。

设计

把所有内存组织成一个链表kmem，用kalloc和kfree管理物理内存分配，粒度为1MB。128MB内存被分成128块

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kalloc 分配连续1MB的物理内存
kfree  释放空间

在内核启动后，打开mmu，进入虚拟内存布局。

• 整个128MB物理内存被映射到0xC000 0000的高地址，作为内核空间
• 0x2000 0000的外设IO地址仍然被映射到原来的位置，这样在启动mmu后，mmio操作不需要改变base address
• 低1MB的虚拟地址控制作为用户空间，为了简化，不打开缓存、tlb功能，不实现内存页置换算法。

这里用三个内核函数实现

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setupkvm     在初始化的时候，建立虚拟内存映射
createuvm    建立用户空间内存描述符
loaduvm      载入用户空间内存描述符

实现

首先，需要修改kernel.ld 链接文件，把text首地址改成

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. = 0xC0008000;

保证跳转指令中的地址匹配虚拟地址。

也可以用linker script的at指令来改变实际load address。我们在一开始entry.S中设置好栈就开启mmu，因此整个image可以都load到0xC0008000，而不需要具体控制某一个section的 load address。

接下来，通过setupkvm函数，修改位于0x0000-0x4000的一级页表，映射虚拟内存布局。最后通过操作cp15协处理器打开mmu

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mcr p15, 0, 1, c3, 0

设置domain 0位client模式（user空间页描述符为domain 0）

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mcr p15, 0, 0, c2, c0

设置ttbr为0，一级页表位于0x0000-0x4000，共4GB/1MB = 4096个页描述符，16KB

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mcr p15, 0, 1, c1, c0, 0

启动mmu

最后我们来验证一下，mmu是否开启成功了

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// mmu test, cp should be high address
unsigned int pc_value;
__asm (
    "mov %[result], pc\n\t"
    : [result]"=r" (pc_value)
    :
    :
);
uart_puts("pc_value is :\n\r");
uart_hex(pc_value);

把pc寄存器的值打印出来，如果大于0xC000 0000，则证明mmu开启成功

source code

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git clone -b memory https://github.com/996refuse/emperorOS.git