思考:开启MMU瞬间可能出现的多种问题以及多种解决方案

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(说明本文的介绍都是基于armv8-aarch64或armv9硬件架构)

在mmu未开启阶段，PC操作的都是物理地址执行程序，这样看起来一切正常，没啥问题。

例如：
取指(到物理地址0x4000处取指)、译码、执行
取指(物理地址0x4004处取指)、译码、执行
取指(物理地址0x4008处取指)、译码、执行
取指(物理地址0x400C处取指)、译码、执行

但是呢，假如程序在执行的过程中，你突然打开了MMU，那么会发生什么呢？比如在前面的示例中，就会出现，程序本来执行在0X4000、0x4004处好好的，而0x4004切好是enable_mmu指令，那么接下来PC将取值0x4008处地址的指令，由于此时MMU已经被打开了，那么0x4008会被当作虚拟地址，经过MMU翻译…
经过MMU，那么就可能出现了两种问题：一是虚拟地址0x4008所对应的页表没有建立，此时会产生prefetch abort；二是虚拟地址0x4008所对应的页表已经建立了（例如指向物理0x9004处），那么此时cpu期望访问物理地址0x4008处的，就被突然变成了访问物理地址0x9004处了。

取指(到到物理地址0x4000处取指)、译码、执行
取指(物理地址0x4004处取指)、译码、执行 – 这条指令是开启MMU
取指(到虚拟地址0x4008处取指，经MMU单元后，要么是invalid，要么是0x9004)、译码、执行
…

在这里插入图片描述

为了解决上述描述的问题，下面给出了两种解决方案：
第一种方案：
在开启MMU之前，我先对正在执行的这一小块代码建立个页表（一一映射），那么此时的逻辑就变成了：

取指(到到物理地址0x4000处取指)、译码、执行
取指(物理地址0x4004处取指)、译码、执行 – 这条指令是开启MMU
取指(到虚拟地址0x4008处取指，经MMU单元后，物理地址依然是是0x4008)、译码、执行 – 程序没有跑飞
…

在这里插入图片描述

第二种方案：
在开启MMU之前，我确实建立个页表（不是一一映射哦，这是正常业务的页表），此时的逻辑如下：

取指(到到物理地址0x4000处取指)、译码、执行
取指(物理地址0x4004处取指)、译码、执行 – 这条指令是开启MMU
取指，到虚拟地址0x4008处取指，经MMU单元时在页表是找不到0x4008这个虚拟地址的（因为没做map），所以会产生prefetch abort异常、而在异常代码ERET返回时，正好返回到0xXXXX地址处，该地址是虚拟地址，正好MAP到0x4008物理地址，程序得到继续执行，译码、执行 – 程序很顺利哦
…

在这里插入图片描述
如果看到此处，您没有看懂，没关系，请看下列代码示例：

...
        ldr     x30, =mmu_on_addr     -------(1)
        msr	    SCTLR_EL1, x0         -------(2)
        isb                           -------(3)

mmu_on_addr :                         -------(4)
...

程序在(1)处将mmu_on_addr链接地址(虚拟地址)写入到了X30寄存器中
程序在(2)处enable MMU，此时下一条指令取指，将被当作成虚拟地址，经过MMU翻译，而对应的页表中自然是没有这个地址(物理地址被当作成的虚拟地址)，所以此时将产生sync abort…
程序在(3)处不会被执行，因为上面已经sync abort了

跳转到sync abort后，代码如下方所示，什么都没干，直接ret返回了。