CN101950274A - 一种管态维护且目态共享的数据访问装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管态维护且目态共享的数据访问装置及方法，涉及计算机系统中的管态和目态共享数据技术领域。本发明方法包括：分别建立已分配的物理内存与第一虚拟地址范围的映射关系，以及所述物理内存与第二虚拟地址范围的映射关系，其中，所述第一虚拟地址范围指已分配的管态和目态共享虚拟地址空间中的虚拟地址范围，所述第二虚拟地址范围指已分配的管态独享虚拟地址空间中的虚拟地址范围；在访问所述物理内存的过程中，目态程序仅通过所述第一虚拟地址范围中的虚拟地址进行访问，管态程序通过所述第一或第二虚拟地址范围中的虚拟地址进行访问。本发明技术方案为计算机系统提供简单、高效的存储保护机制，能够提高系统的整体性能。
Description
技术领域
本发明涉及计算机系统中的管态和目态共享数据技术领域，特别是涉及到一种管态维护且目态共享的数据访问装置及方法。
背景技术
在计算机系统中运行着两类程序：管理程序和用户程序。管理程序主要是管理、分配系统中的各种资源，为用户程序提供各种服务；用户程序在管理程序管理下运行，向管理程序提出各种资源和服务的请求。由于管理程序和用户程序在整个计算机系统中的角色、作用不同，因此对其代码的可信度要求也随之不同。如果不对管理程序和用户程序的行为、权限进行区分，那么用户程序和管理程序将具有相同的权限，此时用户程序的任意纰漏将对整个系统造成灾难性的影响。
为了避免用户程序的错误行为对整个计算机系统造成灾难性影响，在支持虚存的真实计算机装置中，对管理程序和用户程序的行为、权限进行了区分：管理程序运行在管态，用户程序运行在目态。在管态下，程序运行在管态地址空间(如虚拟地址空间的高端部分)，并在程序执行的过程中可执行特权指令，进而可以访问和控制系统中的任意资源；而在目态下，程序运行在目态地址空间(如虚拟地址空间的低端部分)，仅能执行普通权限的指令，当程序需要执行特权指令或需要申请系统资源时，用户程序必须通过特定的接口(比如系统调用的方式)来请求管理程序提供的相应服务。
然而，用户程序和管理程序在协同工作的过程中，需要共享大量的数据。此时，为了实现用户程序和管理程序之间的数据共享，一种简单易行的方法是：通过内存拷贝的方式，将共享数据从管理程序地址空间拷贝到用户程序地址空间(反之亦可)。尽管这种方式简单易行，但是由于其将导致大量的不必要数据拷贝，将极大地降低用户程序和管理程序之间数据共享的有效性，进而降低系统的性能。为了加速应用程序和管理程序之间数据共享的有效性，当前各种处理器(CPU)提供了专门的支持。比如：在arm处理器中，目态和管态可以相互访问对方的地址空间，但是MMU(Memory ManagementUnit，内存管理单元)会区分目态和管态的访问权限，以进行相应的存储保护；而在Unicore32处理器中，处理器将虚拟地址空间划分为3部分：0x00000000～0x7fffffff的地址空间为目态地址空间，管态下程序必须通过特权指令才能访问目态地址空间；0xc0000000～0xffffffff的地址空间为管态地址空间，仅管态下运行的程序可以访问；而剩下的0x80000000～0xbfffffff的地址空间为管态和目态共享地址空间，管态和目态程序均可随意访问这段地址空间中的任意位置。但是在Unicore32处理器中，MMU并不对存储区域的访问权限按管态和目态进行区分，因此对于位于0x80000000～0xbfffffff区间内的地址，管态和目态将按相同的访问权限进行访问。
但是，在实际应用中，对于目态和管态共享的数据，目态和管态程序对其访问的权限通常是不一致的，比如：“管态下的管理程序负责产生数据(生产者)，而目态下的用户程序负责读取管理程序产生的数据(消费者)”的情况。在这种应用需求下，如果处理器的MMU不区分管态和目态的存储访问权限，那么实际的处理方式不外乎如下两种：第一种，将共享数据的访问权限设置为管态和目态下各自所需权限的超集，这样管态和目态程序对共享数据的访问权限均将得到满足；第二种，在管态和目态每次访问共享数据前后设置和恢复对共享数据的访问权限。
但是，上述两种方式均具有各自的局限性。以上面提到的“生产者、消费者”问题为例，第一种处理方式将可能导致目态程序具有写权限，从而能够随意修改与管态共享的数据，进而为系统的安全埋下隐患；而第二种方式，则会导致在访问共享数据前后对共享数据的权限进行频繁的修改，而对数据访问权限的修改(即对应页或段表项的修改)将导致对cache和TLB(Translation lookaside buffer，旁路转换缓冲，也称为页表缓冲)的flush和invalidate操作，从而极大的影响系统的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种管态维护且目态共享的数据访问装置及方法，以提高装置性能。
本发明考虑到可以以管态、目态程序通过共享地址空间来实现数据共享的处理器结构为基础，在处理器的MMU不区分管态和目态存储访问权限的情况下，为支持管态、目态数据共享的处理器提供对应的存储机制，用以避免目态程序具有不必要的存储访问权限而对系统的安全造成威胁，亦可避免因在访问共享数据前后对共享数据的页(段)表项进行频繁地操作而导致对cache和TLB的flush和invalidate操作，从而避免cache和TLB的flush和invalidate操作对系统性能造成不利影响。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种管态维护且目态共享的数据访问方法，包括：
分别建立已分配的物理内存与第一虚拟地址范围的映射关系，以及所述物理内存与第二虚拟地址范围的映射关系，其中，所述第一虚拟地址范围指已分配的管态和目态共享虚拟地址空间中的虚拟地址范围，所述第二虚拟地址范围指已分配的管态独享虚拟地址空间中的虚拟地址范围；
在访问所述物理内存的过程中，目态程序仅通过所述第一虚拟地址范围中的虚拟地址进行访问，管态程序通过所述第一或第二虚拟地址范围中的虚拟地址进行访问。
进一步地，上述方法中，所述第一虚拟地址范围包括一个或者多个非连续的虚拟地址范围，其中通过静态或动态确定所述第一虚拟地址范围。
进一步地，上述方法中，所述第二虚拟地址范围包括一个或者多个非连续的虚拟地址范围，其中，通过静态或动态确定所述第二虚拟地址范围。
进一步地，上述方法中，所述已分配的物理内存包括一个或多个物理内存单元，其中，所述物理内存是通过静态或者动态分配的。
其中，所述第一虚拟地址范围的访问权限为管态目态访问数据权限，所述第二虚拟地址范围的访问权限为管态访问数据权限。
本发明还公开了一种管态维护且目态共享的数据访问装置，包括映射关系存储单元和处理单元，其中：
所述映射关系存储单元，用于存储已分配的物理内存与第一虚拟地址范围的映射关系，以及所述物理内存与第二虚拟地址范围的映射关系，其中，所述第一虚拟地址范围指已分配的管态和目态共享虚拟地址空间中的虚拟地址范围，所述第二虚拟地址范围指已分配的管态独享虚拟地址空间中的虚拟地址范围；
所述处理单元，用于接收目态程序和管态程序对所述物理内存发起的访问请求，当目态程序以所述第一虚拟地址范围中的虚拟地址发起访问请求时，用于根据所述映射关系存储单元中所述物理内存与第一虚拟地址范围的映射关系，响应所述目态程序发起的访问请求，当管态程序以所述第一或第二虚拟地址范围中的虚拟地址发起访问请求时，用于根据所述映射关系存储单元中所述物理内存与第一虚拟地址范围的映射关系，或者所述物理内存与第二虚拟地址范围的映射关系，响应所述管态程序发起的访问请求。
进一步地，上述装置中，所述第一虚拟地址范围包括一个或者多个非连续的虚拟地址范围，其中通过静态或动态确定所述第一虚拟地址范围。
进一步地，上述装置中，所述第二虚拟地址范围包括一个或者多个非连续的虚拟地址范围，其中，通过静态或动态确定所述第二虚拟地址范围。
进一步地，上述装置中，所述已分配的物理内存包括一个或多个物理内存单元，其中，所述物理内存是通过静态或者动态分配的。
其中，所述映射关系存储单元，还用于存储所述第一虚拟地址范围的访问权限为管态目态访问数据权限，存储所述第二虚拟地址范围的访问权限为管态访问数据权限。
本发明技术方案，能够在处理器以共享地址空间的方式来实现管态目态数据共享，但其MMU不区分管态和目态存储访问权限的情况下，为计算机系统提供简单、高效的存储保护机制，能够提高系统的整体性能。
附图说明
图1是本实施例中实现管态维护且目态共享的数据访问流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作作进一步的描述。
一种管态维护且目态共享的数据访问装置，至少包括映射关系存储单元和处理单元。下面介绍各单元的功能。
映射关系存储单元，主要用于存储管态维护且目态共享的数据所在的物理内存与第一虚拟地址范围的映射关系，以及存储管态维护且目态共享的数据所在的物理内存与第二虚拟地址范围的映射关系，并存储第一虚拟地址范围的访问权限为管态目态访问数据权限，存储第二虚拟地址范围的访问权限为管态访问数据权限；
上述第一虚拟地址范围指已分配的管态和目态共享虚拟地址空间中的一个或多个非连续的虚拟地址范围，具体地，可通过静态或动态确定第一虚拟地址范围；
上述第二虚拟地址范围指已分配管态独享虚拟地址空间中的一个或多个非连续的虚拟地址范围，具体地，可通过静态或动态确定第二虚拟地址范围。
其中，映射关系存储单元中所存储的内容，可以是本管态维护且目态共享的数据访问装置从其他装置或设备中获取的。也可以是由本管态维护且目态共享的数据访问装置事先配置的，即本管态维护且目态共享的数据访问装置从已分配的管态和目态共享虚拟地址空间中选择一个或多个非连续的虚拟地址范围作为第一虚拟地址范围，从已分配的管态独享虚拟地址空间中选择一个或多个非连续的虚拟地址范围作为第二虚拟地址范围，并在映射关系存储单元中保存这些信息，之后，建立管态维护且目态共享的数据所在的物理内存与第一虚拟地址范围的映射关系，以及该物理内存与第二虚拟地址范围的映射关系，并在映射关系存储单元中保存这些映射关系信息。
处理单元，用于接收目态程序和管态程序对上述物理内存发起的访问请求，以及根据第一和第二虚拟地址范围的访问权限，响应合理的访问请求；
其中，目态程序以第一虚拟地址范围中的虚拟地址发起访问请求时，处理单元根据第一虚拟地址范围的访问权限(即管态目态访问数据权限)，确定目态程序发起的访问请求为合理的访问请求，故响应该访问请求，此时，处理单元根据映射关系存储单元中物理内存与第一虚拟地址范围的映射关系，实现访问请求的响应；
管态程序以第一或第二虚拟地址范围中的虚拟地址发起访问请求时，处理单元根据第一虚拟地址范围的访问权限(即管态目态访问数据权限)，以及第二虚拟地址范围的访问权限(即管态访问数据权限)，确定管态程序发起的访问请求为合理的访问请求，故响应该访问请求，此时，处理单元根据映射关系存储单元中物理内存与第一虚拟地址范围的映射关系，或者物理内存与第二虚拟地址范围的映射关系，实现访问请求的响应。
上述管态维护且目态共享的数据访问装置可以是与现有系统相独立的装置，也可以是复用现有系统内部的器件实现的装置。
上述装置实现管态维护且目态共享的数据访问时，先为管态维护且目态共享的数据分配物理内存pmem；其次，建立物理内存pmem与管态和目态共享虚拟地址空间之中的虚拟地址范围varea1的映射关系，并将varea1的访问权限设置为管态目态访问数据权限；接着，建立物理内存pmem与管态独享虚拟地址空间中的虚拟地址范围varea2的映射关系，并将varea2的访问权限设置为管态访问数据权限。此后，目态程序将只能通过使用varea1中的地址访问管态维护且目态共享的数据，而管态程序则可以使用varea1和varea2中的地址访问管态维护且目态共享的数据。通过这种方式，既保证了目态程序能够与管态共享数据，同时也实现了相应的存储保护要求。
其中，用于保存管态维护且目态共享的数据的物理内存pmem，既可以通过静态分配，也可通过动态分配；而将该物理内存pmem映射到的管态和目态共享虚拟地址空间之中的varea1，以及管态独享虚拟地址空间之中的varea2的过程中，可以静态或动态地从相应的虚拟地址空间中分配一段适当大小的地址范围；当物理内存和相应的虚拟地址空间范围分配完成之后，需要建立从对应虚拟地址空间范围到物理内存的映射，并设置相应的访问权限，此步骤通常通过设置页(段)表项完成。具体地，该过程如图1所示，包括以下步骤：
步骤100：为管态维护且目态共享的数据分配物理内存pmem；
步骤200，从已分配的目态和管态共享虚拟地址空间中选择虚拟地址范围varea1；
步骤300，建立物理内存pmem与varea1之间的映射关系；
步骤400，设置varea1的访问权限为管态目态访问数据权限(即管态程序和目态程序均可对varea1进行读操作)；
步骤500，从已分配的管态独享虚拟地址空间中选择虚拟地址范围varea2；
步骤600，建立物理内存pmem与varea2之间的映射关系；
步骤700，设置varea2的访问权限为管态访问数据权限；
步骤800，目态程序使用varea1中的虚拟地址访问管态维护且目态共享的数据，管态程序使用varea1或varea2中的虚拟地址访问管态维护且目态共享的数据。
在其他应用场景中，还可以将管态维护且目态共享的数据所在的物理内存pmem映射到访问权限不同的多个虚拟地址上(即建立pmem与多个虚拟地址的映射关系)，例如，从目态和管态共享虚拟地址空间中分配多个非连续的虚拟地址范围varea3、varea4、varea5，再分别建立物理内存pmem与这三个非连续的虚拟地址范围varea3、varea4、varea5的映射关系，并按管态目态访问数据权限设置varea3、varea4、varea5的访问权限，同理，也可以从管态独享虚拟地址空间中分配多个虚拟地址范围varea6、varea7，再分别建立物理内存pmem与这两个非连续的虚拟地址范围varea6、varea7的映射关系，按管态访问数据权限设置varea6、varea7的访问权限。
还用一些场景中，管态维护且目态共享的数据所在的物理内存也分为多个(即物理内存包括多个物理内存单元)，例如为pmem1和pmem2，此时，从目态和管态共享虚拟地址空间中分配两个非连续的虚拟地址范围varea3、varea4，再建立物理内存pmem1与varea3的映射关系，建立物理内存pmem2与varea4的映射关系，并按管态目态访问数据权限设置varea3、varea4的访问权限，同理，从管态独享虚拟地址空间中分配两个非连续的虚拟地址范围varea5、varea6，再建立物理内存pmem1与varea5的映射关系，建立物理内存pmem2与varea6的映射关系，按管态访问数据权限设置varea5、varea6的访问权限。
从上述实施例可以看出，由于本发明技术方案先将管态维护且目态共享的数据所在的物理内存映射到访问权限不同的两个(亦可多个)虚拟地址，然后，目态和管态程序分别使用满足相应访问权限的虚拟地址来访问管态维护且目态共享的数据，进而有效地实现了对管态维护且目态共享的数据的存储保护，避免了频繁的页(段)表权限操作，对提高管态和目态数据共享的有效性，具有重要意义。另外，本发明可应用于任何支持虚拟存储，且MMU不区分管态和目态内存访问权限的计算机系统之中，能够有效的实现管态和目态的数据共享和存储保护，进而提高系统的性能。
对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种管态维护且目态共享的数据访问方法，其特征在于，该方法包括：
分别建立已分配的物理内存与第一虚拟地址范围的映射关系，以及所述物理内存与第二虚拟地址范围的映射关系，其中，所述第一虚拟地址范围指已分配的管态和目态共享虚拟地址空间中的虚拟地址范围，所述第二虚拟地址范围指已分配的管态独享虚拟地址空间中的虚拟地址范围；
在访问所述物理内存的过程中，目态程序仅通过所述第一虚拟地址范围中的虚拟地址进行访问，管态程序通过所述第一或第二虚拟地址范围中的虚拟地址进行访问。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述第一虚拟地址范围包括一个或者多个非连续的虚拟地址范围，其中通过静态或动态确定所述第一虚拟地址范围。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述第二虚拟地址范围包括一个或者多个非连续的虚拟地址范围，其中，通过静态或动态确定所述第二虚拟地址范围。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述已分配的物理内存包括一个或多个物理内存单元，其中，所述物理内存是通过静态或者动态分配的。
5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，
所述第一虚拟地址范围的访问权限为管态目态访问数据权限，所述第二虚拟地址范围的访问权限为管态访问数据权限。
6.一种管态维护且目态共享的数据访问装置，其特征在于，该装置包括映射关系存储单元和处理单元，其中：
所述映射关系存储单元，用于存储已分配的物理内存与第一虚拟地址范围的映射关系，以及所述物理内存与第二虚拟地址范围的映射关系，其中，所述第一虚拟地址范围指已分配的管态和目态共享虚拟地址空间中的虚拟地址范围，所述第二虚拟地址范围指已分配的管态独享虚拟地址空间中的虚拟地址范围；
所述处理单元，用于接收目态程序和管态程序对所述物理内存发起的访问请求，当目态程序以所述第一虚拟地址范围中的虚拟地址发起访问请求时，用于根据所述映射关系存储单元中所述物理内存与第一虚拟地址范围的映射关系，响应所述目态程序发起的访问请求，当管态程序以所述第一或第二虚拟地址范围中的虚拟地址发起访问请求时，用于根据所述映射关系存储单元中所述物理内存与第一虚拟地址范围的映射关系，或者所述物理内存与第二虚拟地址范围的映射关系，响应所述管态程序发起的访问请求。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述第一虚拟地址范围包括一个或者多个非连续的虚拟地址范围，其中通过静态或动态确定所述第一虚拟地址范围。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述第二虚拟地址范围包括一个或者多个非连续的虚拟地址范围，其中，通过静态或动态确定所述第二虚拟地址范围。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述已分配的物理内存包括一个或多个物理内存单元，其中，所述物理内存是通过静态或者动态分配的。
10.如权利要求6至9任一项所述的装置，其特征在于，
所述映射关系存储单元，还用于存储所述第一虚拟地址范围的访问权限为管态目态访问数据权限，存储所述第二虚拟地址范围的访问权限为管态访问数据权限。
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