支持Linux操作系统的存储器管理单元设计研究

摘要

随着家庭网络核心平台的硬件系统日趋完善，提升原有的uC/OS-Ⅱ操作系统来实现更强的管理功能已经显得十分必要。在众多备选方案中，完全开源免费的Linux操作系统具有很强的竞争力，它能够支持多用户、多进程，对存储器的访问权限进行检测，同时Linux操作系统已经被成功移植到众多的硬件平台，具有良好的可移植性，这些都成为本文将Linux列为目标系统的原因。 为了实现Linux操作系统在现有家庭网络核心SoC平台上的运行，必须完成软、硬件两个方面的工作。首先，必须为该平台中的32位嵌入式处理器SRISC增加一款存储器管理单元(MMU)。该存储器管理单元能够完成Linux操作系统所需的内存控制功能，同时协助操作系统实现内存管理的异常响应机制。其次，还必须对MIPS平台上的现有Linux操作系统内核进行移植，加入和家庭网络核心平台相关的硬件信息。 本文针对家庭网络核心的现有硬件平台，为其开发了支持Linux操作系统的存储器管理单元，能够完成该操作系统所需的地址分段映射、硬件查询两节页表、存储权限控制等功能，同时该MMU还能与系统中原有的全定制两级快表(TLB)紧密配合，在快表命中时快速取得所需的物理地址。本文采用GCC编译器对经过移植的Linux内核进行编译，内核版本为linux-2.4.18。 在通过PLI接口实现的软硬件集成验证平台上，Linux内核已经能够顺利运行并完成初始化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1家庭网络核心平台简介及其中的32位RISC处理器简介

1.2 32位RISC处理器SRISC及其流水线

1.3为家庭网络核心移植Linux操作系统的意义

1.4内存管理的基础知识

1.5 Linux对MMU的设计要求及软硬件功能划分

1.6本文的工作及内容安排

第二章支持Linux系统的MMU控制器

2.1 RISC处理器的基本地址空间

2.1.1用户模式的地址空间分配

2.1.2内核模式的地址空间分配

2.2地址映射与变换

2.2.1内存的页式管理方式

2.2.2两级页表

2.3快表(TLB)设计

2.4 MMU控制寄存器

2.5权限控制

2.5.1内存控制引起的异常

2.5.2具有异常检测的MMU工作流程

2.6异常处理

2.6.1RISC处理器的异常响应机制

2.6.2内存控制相关的异常响应

第三章Linux内核移植基本原理

3.1 Linux对内核移植所提供的支持

3.2 Linux内核体系分析

3.2.1Linux的存储管理

3.2.2 Linux的进程管理

3.2.2 Linux的文件系统

3.2.3 Linux的调度机制

3.3与家庭网络SoC平台相关的Linux代码

3.4针对SRISC的Linux代码修改

3.5 Linux内核的编译

第四章MMU控制器设计实现和仿真

4.1设计概述

4.1.1设计指标

4.1.2 MMU在Soc系统中的位置及接口定义

4.1.3 MMU内部结构简介

4.2MMU模块实现和接口标准

4.2.1 decode模块

4.2.2 biu_fsm模块

4.2.3DTLB_CTRL模块

4.2.3ITLB_CTRL模块

第五章Linux系统软硬件集成及验证

5.1 Linux操作系统与硬件平台的集成

5.2 Modelsim仿真结果

5.2.1一个异常处理的例子

5.2.2 Linux内核的启动

5.3 Linux移植的FPGA验证

第六章总结与展望

6.1工作总结

6.2下一步工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的文章及申请的专利

致谢