Der BegriffMemory Management Unit (MMU;deutschSpeicherverwaltungseinheit) benennt eineHardwarekomponente einesComputers, die den Zugriff auf denArbeitsspeicher verwaltet.
Eine MMU rechnetvirtuelle Adressen jedes einzelnen Prozesses in physische Adressen des externen Speichers um.[1.1] Damit ermöglicht sie die Trennung zwischen Prozessspeicher und Hauptspeicher, was folgende Konzepte erlaubt:
Die MMU regelt auchSpeicherschutzaufgaben. So können einzelneSpeicherbereiche für die Ausführung von Code, zum weiteren Beschreiben oder zum Lesen gesperrt werden. Man unterscheidet hierbei zwischen der Abschottung von
Block Diagramm Skylake CPU
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MMUs waren ursprünglich als externe und optionale Zusatzkomponenten fürMikroprozessoren konzipiert. Typische Beispiele sind die 16-Bit-CPU Motorola MC68010, die MMU war in einem externen Baustein MC68451 untergebracht. Andere Hersteller wie Zilog und Intel integrierten die MMU direkt in denProzessor (Z8001, Intel 80286). Mit dem Aufkommen vonCaches in CPUs ist die MMU in die CPU verlagert worden.
Dies ist zwingend notwendig, da sich die MMU zwischen CPU-Kern und dem/den Caches befinden muss.Sie arbeitet mit physischen Adressen, um nicht bei jedem Thread- oder Taskwechsel geflusht werden zu müssen.Multicore-Systeme mit geteiltem Cache erfordern zwingend die MMU vor diesem geteilten Cache.
| MMU-Instruction | L1I-Cache | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CPU-Kern | L2-Cache | L3-Cache | Hauptspeicher | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MMU-Data | L1D-Cache | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MMU-Instruction | L1I-Cache | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CPU-Kern 1 | L2-Cache | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MMU-Data | L1D-Cache | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| shared L3-Cache | Hauptspeicher | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MMU-Instruction | L1I-Cache | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CPU-Kern 2 | L2-Cache | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MMU-Data | L1D-Cache | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Bei Rechnern mitHarvard-Architektur gibt es zwei MMUs pro Kern – eine für den Befehls- und eine für den Datenspeicher jedes Kerns. Waren früher MMUs „Luxusartikel“, so sind sie heutzutage teilweise selbst in CPUs im Preisbereich um 1 US$ Standard (BCM2835).
Jeder durch einen Befehl angeforderte Lese- oder Schreibzugriff wird zuerst auf seine Gültigkeit geprüft und bei Validität durch dieMemory Management Unit in eine physische Adresse umgerechnet. Selbstnachladende MMUs haben einen speziellen Cache-Speicher, denTranslation Lookaside Buffer, der jeweils die letzten Adressübersetzungen cacht und so häufige Zugriffe auf die Übersetzungstabelle reduziert. Darüber hinaus enthält die MMU spezielle schnelle Register (wie etwa für Basisadressen undOffsets), um die Adressberechnung so effizient wie möglich auszuführen. Man unterscheidet die möglichen Arten der Adressübersetzung (englischaddress translation) nach der Art der verwendetenSeitentabellen.
Ursprünglich gab es zwei Methoden der Adressumsetzung, diejenige nach Segmenten (segmented MMU) und diejenige nach Seiten (paged MMU). Bei der Adressumsetzung nach Segmenten werden jeweils logische Speicherbereiche variabler Größe auf einen physischen Speicherbereich gleicher Größe umgesetzt. Da dieses Verfahren jedoch nicht gut mit der Speicherverwaltung moderner Betriebssysteme mit virtueller Speicherverwaltung zusammenpasst, ist es kaum noch in Verwendung. Die Adressumsetzung nach Seiten verwendet normalerweise feste Blockgrößen und ist heute die übliche Methode. Den Mechanismus der Übersetzung von logischen Adressen in physische Adressen bezeichnet man daher im Fall der festen Blockgrößen auch alsPaging. Bei Prozessen mit sehr großem Adressraum würde bei fester Blockgröße eine sehr große Anzahl von Tabelleneinträgen in der MMU nötig. Daher können einige Betriebssysteme, bei Vorhandensein einer entsprechenden MMU, Teile des Adressraums durch Seiteneinträge zusammenfassen, die wesentlich größere Blockgrößen verwenden. Einer logischen Adresse muss nicht jederzeit eine physische zugeordnet sein. Wird eine solche Adresse angesprochen, erfolgt ein sogenannterSeitenfehler (englischpage fault, page miss), woraufhin das Betriebssystem die Daten von einem externen Speichermedium laden kann; dieser Vorgang läuft für eine Applikationtransparent ab. Man spricht hier von „Speichervirtualisierung“.
