Memory Management Unit

Der Begriff Memory Management Unit (MMU, deutsch: Speicherverwaltungseinheit) benennt eine Hardwarekomponente eines Computers, welche den Zugriff auf den Arbeitsspeicher verwaltet.

Aufgaben

Zu ihren Aufgaben zählt die Umrechnung einer virtuellen Adresse in eine physische Adresse. Sie ermöglicht damit den Zugriff auf den gesamten virtuellen Adressraum, den ein Betriebssystem mit Hilfe der virtuellen Speicherverwaltung zur Verfügung stellt.

Die MMU regelt auch Speicherschutzaufgaben. So können einzelne Speicherbereiche für die Ausführung von Code oder zum weiteren Beschreiben gesperrt werden. Man unterscheidet hierbei zwischen der Abschottung von

• Programmen untereinander ("horizontale Trennung"): Programme können (z. B. im Fehlerfall) nicht auf Speicher anderer Programme zugreifen.
• Programmen gegen das Betriebssystem ("vertikale Hierarchie"): Das Funktionieren des Betriebssystems darf nicht durch (fehlerhafte) Anwendungsprogramme gefährdet werden.

Dadurch ist der sichere Betrieb im Multitasking wesentlich einfacher, da mittels Hardware verhindert wird, dass ein Fehler in einem Prozess zu einem direkten Zugriff auf Daten eines anderen Prozesses oder des Betriebssystems führt. Außerdem kann durch die MMU jedem Prozess ein initial unfragmentierter, exklusiver Speicherraum präsentiert werden.

Einsatz und Verwendung

MMUs waren ursprünglich als externe Zusatzkomponente für Mikroprozessoren konzipiert. Sie sind heutzutage in die meisten Hochleistungsprozessoren direkt integriert oder in der Nähe des Prozessors angeordnet. Bei Verwendung einer Harvard-Architektur existieren sogar zwei verschiedene MMUs innerhalb des Prozessors – eine für den Befehls- und eine für den Datenspeicher.

Embedded-Prozessoren und Mikrocontroller verwenden größtenteils keine MMU. Eine MMU würde mehr zusätzliche Chipfläche bedeuten und zu erhöhten Kosten führen. Anwendungen für diesen Einsatzbereich können daher meistens nicht auf eine Adressübersetzungstechnik zurückgreifen. Der physische Speicher muss daher exakt adressiert werden.

Funktionsprinzip

Schematischer Ablauf der Umrechnung einer virtuellen in eine physische Adresse

Jede durch einen Prozess angeforderte virtuelle Adresse wird zuerst durch die Memory Management Unit in eine physische Adresse umgerechnet, bevor sie auf den Adressbus geschrieben wird. Selbst nachladende MMUs verfügen über einen speziellen Cache-Speicher, den Translation Lookaside Buffer, welcher jeweils die letzten Adressübersetzungen in Form einer Tabelle abspeichert. Darüber hinaus enthält die MMU spezielle schnelle Register (wie etwa für Basisadressen und Offsets), um die Adressberechnung so effizient wie möglich ausführen zu können. Man unterscheidet die möglichen Arten der Adressübersetzung (englisch address translation) nach der Art der verwendeten Seitentabellen.

Ursprünglich gab es zwei Methoden der Adressumsetzung, die nach Segmenten (segmented MMU) und die 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 heutzutage die übliche Methode. Den Mechanismus der Übersetzung von logischen Adressen in physische Adressen bezeichnet man daher im Fall der festen Blockgrößen auch als Paging. 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 sogenannter Seitenfehler (englisch page fault, page miss), woraufhin das Betriebssystem die Daten von einem externen Speichermedium laden kann; dieser Vorgang läuft für eine Applikation transparent ab. Man spricht hier von Speichervirtualisierung.

Literatur

• Andrew S. Tanenbaum: Moderne Betriebssysteme. 2., überarbeitete Auflage. Pearson Studium, 2003, ISBN 3-8273-7019-1

Siehe auch

• Speicherschutz
• Memory Protection Unit (MPU)
• CPU
• Ring (CPU)