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提到MMU就要提到一個概念，虛擬地址(Virtual Address)。前面的文章中反復提到過虛擬地址的概念。

使用虛擬地址的好處是它允許管理軟件，例如操作系統(OS)來控制呈現給軟件的內存視圖。操作系統可以控制哪些內存是可見的，哪些內存是可見的，哪些訪問是允許的。應用程序知道它是由操作系統和硬件協同工作來執行地址轉換的。實際上，每個應用程序都可以使用自己的一組虛擬地址，這些地址將映射到物理系統中的不同位置。當操作系統在不同的應用程序之間切換時，它會重新編程映射。這意味著當前應用程序的虛擬地址將映射到內存中正確的物理位置。

使用虛擬地址的另一個好處是操作系統可以將內存的多個碎片物理區域作為單個、連續的虛擬地址空間呈現給應用程序。虛擬地址也有利于軟件開發人員，他們在編寫應用程序時不知道系統的確切內存地址。使用虛擬地址，軟件開發人員不需要關心物理內存。

虛擬地址和物理地址之間的映射存儲在轉換表(translation tables)中：

轉換表在內存中，由軟件(通常是操作系統或管理程序)管理。地址轉換表是動態的，可以根據軟件的需要進行更新。負責虛擬地址到物理地址轉換的部件就是MMU。MMU由兩部分組成：

表遍歷單元(Table Walk Unit)，包含從內存中讀取地址轉換表的邏輯。

TLB(Translation Lookaside Buffer)，緩存最近使用的地址轉換。

軟件發出的所有內存地址都是虛擬的。這些內存地址被傳遞給MMU，MMU檢查TLB中最近使用的緩存地址轉換。如果MMU沒有找到最近緩存的地址轉換，表遍歷單元(TWU)將從內存中讀取相應的表條目。

轉換表的工作原理是將虛擬地址空間劃分為大小相等的塊，并在每個塊的表中提供一個條目。

當轉換發生時，由軟件發出的虛擬地址將一分為二。在下圖中被標記為“which entry”的高位告訴您要查找哪個塊條目，并將它們用作表的索引。此輸入塊包含虛擬地址的物理地址。低階位在圖中被標記為“offset in blocks”，是該塊中的偏移量，不會因轉換而改變。

多級查找更為復雜。以下圖為例，第一個表將虛擬地址空間劃分為大的塊。這個表中的每個條目可以指向一個大小相等的物理內存塊，也可以指向另一個將塊細分為更小塊的表。我們稱這種類型的表為“多級表”。在ARMv8-A中，最多可以支持四級查找。多級查找為虛擬化技術提供了支持。

這種多級查找方法允許描述較大的內存塊和較小的內存塊。大/小塊體的特點如下：

大內存塊比小內存塊需要更少的讀取級別。另外，大內存塊在TLB中的緩存效率更高。

小內存塊為軟件提供了對內存分配的細粒度控制。但是，小內存塊在TLB中的緩存效率較低。緩存效率較低，因為小內存塊需要多次讀取級別才能轉換。

處理器在開始表查找時不知道轉換的大小。處理器通過執行表遍歷計算出正在轉換的塊的大小。

在ARMv8-A中有三個獨立的虛擬地址空間，分別是：

NS.EL0 and NS.EL1 (Non-secure EL0/EL1).

NS.EL2 (Non-secure EL2).

EL3.

在虛擬化中，我們將操作系統控制的地址轉換集稱為stage 1。Stage 1表將虛擬地址轉換為中間物理地址(IPA)。在Stage 1，操作系統認為IPA是物理地址空間。然而，hypervisor控制第二組轉換，我們稱之為Stage 2。Stage2 將IPA轉換為物理地址。前面介紹ARM虛擬化的文章中有介紹，不再贅述。

Armv8-A是一個64位體系結構，但這并不意味著所有的地址都是64位的。虛擬地址以64位格式存儲。因此，LDR指令和STR指令中的地址始終在X寄存器中指定。但是，并非X寄存器中的所有地址都有效。在Armv8.0-A中，物理地址的最多是48位。在Armv8.2-A中擴展到52位。

許多現代操作系統的所有應用程序似乎都運行在同一個地址區域，這就是我們所說的用戶空間。實際上，不同的應用程序需要不同的映射。

理想情況下，我們希望不同應用程序的地址轉換在TLB中共存，以防止TLB在上下文切換時失效。但是處理器如何知道要使用哪個版本的地址轉換呢?在Armv8-A中，答案是地址空間標識符(Address SpaceIdentifiers，ASID)。

對于EL0/EL1虛擬地址空間，可以使用轉換表項的屬性字段中的nG位將轉換標記為全局(G)或非全局(nG)。例如，內核映射是全局轉換，而應用程序映射是非全局轉換。全局轉換應用于當前正在運行的應用程序。非全局地址轉換僅適用于特定應用程序。

非全局映射在TLB中用ASID標記。在TLB查找中，TLB條目中的ASID將與當前選定的ASID進行比較。如果它們不匹配，則不使用TLB條目。下圖顯示了內核空間中沒有ASID標記的全局映射，以及具有ASID標記的用戶空間中的非全局映射。該圖顯示，允許多個應用程序的TLB條目在緩存中共存，ASID決定使用哪個條目。

EL0/EL1轉換也可以使用虛擬機標識符(Virtual MachineIdentifier，VMID)進行標記。VMID允許來自不同VM的轉換在緩存中共存。這與ASID處理來自不同應用程序的地址轉換的方式類似。在實踐中，這意味著一些轉換將同時使用VMID和ASID進行標記，并且兩者都必須與要使用的TLB條目相匹配。

如果一個系統包含多個處理器，那么在一個處理器上使用的ASID和VMID在其他處理器上的含義是否相同?對于Armv8.0-A來說，答案是它們的意思并不一定相同。軟件不需要以相同的方式在多個處理器間使用給定的ASID。例如，ASID 5可能被一個處理器上的計算器和另一個處理器上的web瀏覽器使用。這意味著一個處理器創建的TLB條目不能被另一個處理器使用。

實際上，軟件不太可能在處理器之間使用不同的ASID。軟件在給定系統中的所有處理器上以相同的方式使用ASID和VMID更為常見。因此，Armv8.2-A在轉換表基寄存器(TTBR)中引入了公共非私有(Common not Private，CnP)位。當設置了CnP位時，軟件承諾在所有處理器上以相同的方式使用ASID和VMID，這允許一個處理器創建的TLB條目被另一個處理器使用。

轉化粒度是可以描述的最小的存儲塊。Armv8-A支持三種不同的粒度：4KB、16KB和64KB。處理器支持的顆粒大小由實現定義，并由ID_AA64MMFR0_EL1報告。所有Arm Cortex-A處理器支持4KB和64KB。