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1 つ目: MMU メモリ管理
MMU (Memory Management Unit、メモリ管理ユニット) は、CPU とメモリ間の仮想メモリ管理を実現するために使用されるハードウェア モジュールです。
その主な機能は、仮想アドレスを物理アドレスに変換すると同時に、アクセス制御やキャッシュ管理などの機能を提供することです。MMU は最新のコンピュータ オペレーティング システムの重要な部分であり、システムの安定性とセキュリティを向上させることができます。
メモリ管理に関しては、MMU はページ テーブルを通じて仮想メモリ管理を実装できます。ページ テーブルは、各仮想ページとそれに対応する物理ページの間のマッピング関係を記録するデータ構造です。
CPU が仮想アドレスを発行すると、MMU はそれをページ テーブルから検索し、対応する物理アドレスに変換します。
さらに、MMU はページ テーブルを介したメモリ保護や共有などの機能も実装できるため、システムのセキュリティと効率が向上します。
つまり、MMU はメモリ管理における重要なハードウェア コンポーネントであり、仮想メモリ管理、メモリ保護、共有、キャッシュなどの機能を実現し、最新のコンピュータ オペレーティング システムの安定性とセキュリティをサポートします。
2番目: 例を挙げてください
2 つのメモリ領域にアクセスする必要があるプログラムがあるとします。1 つは読み取り専用のコード領域で、もう 1 つは読み取りおよび書き込み可能なデータ領域です。
次に、このプログラムを MMU のないシステムで実行したいと思います。MMU がない場合、コード領域とデータ領域は 2 つの固定物理アドレスにのみマッピングできます。これは、プログラムが間違ったアドレスにアクセスしようとすると、システムがクラッシュする可能性があることを意味します。
さて、このプログラムを MMU を備えたシステムで実行すると、状況は異なります。MMU は、プログラムがアクセスしようとするアドレスを別の物理アドレスにマップできるため、コード領域とデータ領域は物理メモリ内の固定位置ではなくなります。
これは、プログラムが不正なアドレスにアクセスしようとした場合、MMU は再マッピングによってシステムをクラッシュから保護できることを意味します。
MMU は、複数の仮想アドレスを同じ物理アドレスにマップすることもできます。これはページ共有と呼ばれ、物理メモリの使用量を削減できます。
MMU がない場合、プログラムはメモリにアクセスするときに物理アドレスのみを使用でき、物理アドレスはメモリ チップ上のアドレスに直接マッピングされ、プログラムは任意の物理アドレスにアクセスできます。
この場合、プログラムが間違ったアドレスにアクセスしたり、不正なアドレスにアクセスしようとすると、アクセスエラーや不正アクセスが発生し、システムクラッシュやデータ損失などの問題が発生する可能性があります。
MMU を使用すると、プログラムは仮想アドレスにアクセスします。MMU は、プログラムが物理アドレスに直接アクセスできないように、仮想アドレスを物理アドレスにマッピングする責任を負います。
同時に、MMU はメモリアクセス権限に従ってプログラムのメモリへのアクセスを制限し、システムのセキュリティと安定性を確保します。
したがって、MMU がない場合、プログラムは他のアドレスにアクセスする可能性がありますが、MMU を使用すると、プログラムはアクセスが許可されたアドレスにのみアクセスできるため、不正アクセスの問題を効果的に回避できます。
3 番目: 同じ仮想アドレス空間が物理アドレスで競合しないのはなぜですか?
同じ仮想アドレス空間は、異なるプロセスの異なる物理アドレスにマッピングされる場合があり、このマッピング プロセスは MMU によって完了します。オペレーティングシステムでは、各プロセスが独立した仮想アドレス空間を持ち、これらの仮想アドレス空間は互いに干渉しません。
MMU は、各プロセスの仮想アドレスを対応する物理アドレスにマップするため、異なるプロセス間のメモリ アクセスが相互に干渉しません。同時に、MMU は、プロセスがメモリにアクセスしたり、他のプロセスのメモリにアクセスしたりすることを防ぐために、ページ保護などのセキュリティ メカニズムも提供します。
したがって、MMU はプロセス間のメモリを相互の干渉から保護する役割を果たしており、最新のオペレーティング システムの重要な部分でもあります。
4番目: ページテーブルとは何ですか?
ページ テーブルは、仮想メモリ アドレスと物理メモリ アドレス間のマッピング関係を格納するために使用されるデータ構造です。仮想メモリを使用するシステムでは、各プロセスが独自の仮想アドレス空間を持ち、これらの仮想アドレス空間はメモリの単一の連続ブロックではなく、多くのページ (通常は 4KB 以上のサイズ) に分割されます。
したがって、プロセスが特定の仮想アドレスにアクセスする必要がある場合、その仮想アドレスを対応する物理アドレスに変換する必要があります。この変換プロセスは、ページ テーブルを通じて実行されます。
ページ テーブルの基本原理は、仮想アドレスをページ番号とオフセットに分割することです。
ページ番号は、ページ テーブル内の対応する物理ページ フレーム番号を検索するために使用され、オフセットは、物理ページ フレーム内の仮想アドレスのオフセットを計算するために使用されます。このようにして、仮想アドレスを物理アドレスにマッピングできるため、プロセスは対応するメモリ領域にアクセスできます。
オペレーティング システムは仮想アドレスと物理アドレス間のマッピング関係を把握する必要があるため、ページ テーブルは通常、オペレーティング システムによって維持されます。
MMU (Memory Management Unit) を使用したハードウェア サポート システムでは、プロセスが仮想アドレスにアクセスすると、MMU はページ テーブルを通じて仮想アドレスを物理アドレスに変換し、正しい物理アドレスにアクセスを指示します。このようにして、プロセスは自身の実際の物理アドレスを知らなくてもメモリにアクセスできます。
5 番目: なぜ Linux システムは MMU なしでは実行できないのでしょうか?
これは、Linux カーネルが仮想アドレス空間をページに分割し、メモリ分離、保護、仮想メモリなどの機能のためにこれらのページを物理アドレス空間にマップするためです。
MMU がなければ、このマッピングで Linux システムを実行することはできません。
6 番目: 一部の単純な SOC には MMU が搭載されていないのに、一部の組み込みオペレーティング システムやベアメタル プログラムを実行できるのはなぜですか?
RTOS は通常、メモリ保護や仮想アドレス マッピングなどの高度な機能を必要としないため、MMU なしのシステムでも実行できます。
対照的に、RTOS はリアルタイムと低遅延に重点を置いて設計されているため、通常は単純なメモリ管理とタスク スケジューリングのみが必要です。
これにより、MMU を持たないものも含め、多くの組み込みシステムで RTOS を実行できるようになります。