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ARM协处理器介绍

2021-01-09  本文已影响0人  Leon_Geo

概述

在基于ARM的嵌入式应用系统中，存储系统的操作通常是由协处理器CP15完成的。CP15包含16个32位的寄存器，其编号为0～15。而访问CP15寄存器的指令主要是MCR和MRC这两个指令。

1、指令格式

MRC{cond} p15, <Opcode_1>, <Rd>, <CRn>, <CRm>, <Opcode_2>

MCR{cond} p15, <Opcode_1>, <Rd>, <CRn>, <CRm>, <Opcode_2>

cond：为指令执行的条件码。当cond忽略时指令为无条件执行。 Opcode_1：协处理器的特定操作码. 对于CP15寄存器来说，opcode1=0 Rd：作为源寄存器的ARM寄存器，其值将被传送到协处理器寄存器中，或者将协处理器寄存器的值传送到 该寄存器里面 ,通常为R0 CRn：作为目标寄存器的协处理器寄存器，其编号是C~C15。 CRm：协处理器中附加的目标寄存器或源操作数寄存器。如果不需要设置附加信息，将CRm设置为c0，否 则结果未知 Opcode_2：可选的协处理器特定操作码。（用来区分同一个编号的不同物理寄存器，当不需要提供附加信息时，指定为0）

(1) 汇编语法表示：

<pre spellcheck="false" class="md-fences md-end-block md-fences-with-lineno ty-contain-cm modeLoaded" lang="assembly" cid="n15" mdtype="fences" style="box-sizing: border-box; overflow: visible; font-family: var(--monospace); font-size: 0.9em; display: block; break-inside: avoid; text-align: left; white-space: normal; background-image: inherit; background-position: inherit; background-size: inherit; background-repeat: inherit; background-attachment: inherit; background-origin: inherit; background-clip: inherit; background-color: rgb(248, 248, 248); position: relative !important; border: 1px solid rgb(231, 234, 237); border-radius: 3px; padding: 8px 4px 6px 0px; margin-bottom: 15px; margin-top: 15px; width: inherit; color: rgb(51, 51, 51); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;"> mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 //将 CP15 的寄存器 C1 的值读到 r0 中
​
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 //关闭ICaches和DCaches
​
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 //使无效整个数据TLB和指令TLB</pre>

(2) C语言语法表示：

<pre spellcheck="false" class="md-fences md-end-block md-fences-with-lineno ty-contain-cm modeLoaded" lang="c" cid="n17" mdtype="fences" style="box-sizing: border-box; overflow: visible; font-family: var(--monospace); font-size: 0.9em; display: block; break-inside: avoid; text-align: left; white-space: normal; background-image: inherit; background-position: inherit; background-size: inherit; background-repeat: inherit; background-attachment: inherit; background-origin: inherit; background-clip: inherit; background-color: rgb(248, 248, 248); position: relative !important; border: 1px solid rgb(231, 234, 237); border-radius: 3px; padding: 8px 4px 6px 0px; margin-bottom: 15px; margin-top: 15px; width: inherit; color: rgb(51, 51, 51); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;"> asm("mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0\n" //使用asm 可以在C函数中执行汇编语句
"orr r1, r1, #0xc0000000\n"
"mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0\n"
:::"r1" //:::"r1" 向GCC声明：我对r1作了改动
);</pre>

2、CP15中的寄存器介绍

寄存器编号 基本作用 在 MMU 中的作用 在 PU 中的作用
0 ID 编码（只读） ID 编码和 cache 类型
1 控制位（可读写） 各种控制位
2 存储保护和控制 地址转换表基地址 Cachability 的控制位
3 存储保护和控制 域访问控制位 Bufferablity 控制位
4 存储保护和控制 保留 保留
5 存储保护和控制 内存失效状态 访问权限控制位
6 存储保护和控制 内存失效地址 保护区域控制
7 高速缓存和写缓存 高速缓存和写缓存控制
8 存储保护和控制 TLB 控制 保留
9 高速缓存和写缓存 高速缓存锁定
10 存储保护和控制 TLB 锁定 保留
11 保留
12 保留
13 进程标识符 进程标识符
14 保留
15 因不同设计而异 因不同设计而异 因不同设计而异

(1) CP15的寄存器C0

CP15 中寄存器 C0 对应两个标识符寄存器，由访问 CP15 的寄存器指令指定要访问哪个具体物理寄存器，与两个标识符寄存器的对应关系如下所示：

opcode2 编码 对应的标识符号寄存器
0b000 主标识符寄存器
0b001 cache类型标识符寄存器
其 他 保留

A、主标识符寄存器

30****～24 23****～20 19****～16 15****～4 3****～0
由生产商确定 产品子编号 ARM 体系版本号 产品主编号 处理器版本号

B、cache类型标识符寄存器

31~29 28~25 24 23~12 11~0
000 属性字段 S 数据 cache 相关属性 指令cache 相关属性
位 含义
位[28: 25] 主要用于定义对于写回类型的cache的一些属性
位[24] 定义系统中的数据 cache 和指令 cache 是分开的还是统一的： 0: 系统的数据 cache 和指令 cache 是统一的 1: 系统的数据 cache 和指令 cache 是分开的
位 [23: 12] 定义数据 cache 的相关属性,如果位 [24] 为 0 ，本字段定义整个cache 的属性
位 [31: 24] 定义指令 cache 的相关属性,如果位 [24] 为 0 ，本字段定义整个cache 的属性

控制字段位[28： 25] 的含义 ：主要用于定义对于写回类型的cache的一些属性，

cache 类型标识符寄存器的控制字段位 [28 ： 25]。

编 码 cache 类型 cache 内容清除方法 cache 内容锁定方法
0b000 写通类型 不需要内容清除 不支持内容锁定
0b0001 写回类型 数据块读取 不支持内容锁定
0b0010 写回类型 由寄存器 C7 定义 不支持内容锁定
0b0110 写回类型 由寄存器 C7 定义 支持格式 A
0b0111 写回类型 由寄存器 C7 定义 支持格式 B

控制字段位 [23 ： 12] 及控制字段位 [11 ： 0] 含义 ：[23：12]用于定义DCache的属性，[11: 0]用于定义ICache的属性。编码格式如下：

11~9 8~6 5~3 2 1~0
000 cache 容量 cache 相联特性 M 块大小

其中bits[1:0]含义如下：

编 码 cache 块大小
0b00 2 个 字（ 8 字节）
0b01 4 个 字（ 16 字节）
0b10 8 个 字（ 32 字节）
0b11 16 个 字（ 64 字节）

其中bits[5:3]含义如下：

编 码 M=0 时含义 M=1 时含义
0b000 1 路 相联（直接映射） 没有 cache
0b001 2 路 相联 3 路 相联
0b010 4 路 相联 6 路 相联
0b011 8 路 相联 12 路 相联
0b100 16 路 相联 24 路 相联
0b101 32 路 相联 48 路 相联
0b110 64 路 相联 96 路 相联
0b111 128 路相联 192 路相联

其中bits[8:6]含义如下：

编 码 M=0 时含义 M=1****时含义
0b000 0.5KB 0.75 KB
0b001 1 KB 1.5 KB
0b010 2 KB 3 KB
0b011 4 KB 6 KB
0b100 8 KB 12 KB
0b101 16 KB 24 KB
0b110 32 KB 48 KB
0b111 64 KB 96 KB

（2） CP15 的寄存器 C1

CP15中的寄存器C1是一个控制寄存器，它包括以下控制功能：

指令如下： mrc p15, 0, r0, c1, c0{, 0}，将 CP15 的寄存器 C1 的值读到 r0 中 mcr p15, 0, r0, c1, c0{, 0}，将 r0 的值写到 CP15 的寄存器 C1 中

CP15 中的寄存器 C1 的编码格式及含义说明如下：

C1中的控制位 含义
M（bit[0]） 0 ：禁止 MMU 或者 PU 1 ：使能 MMU 或者 PU 如果系统中没有MMU及PU，读取时该位返回0，写入时忽略该位。
A（bit[1]） 0 ：禁止地址对齐检查 1 ：使能地址对齐检查
C（bit[2]） 当数据cache和指令cache分开时，本控制位禁止/使能数据cache。当数据cache和指令cache统一时，该控制位禁止/使能整个cache。 0 ：禁止数据 / 整个 cache 1 ：使能数据 / 整个 cache 如果系统中不含cache，读取时该位返回0.写入时忽略 当系统中不能禁止cache 时，读取时返回1.写入时忽略
W（bit[3]） 0 ：禁止写缓冲 1 ：使能写缓冲 如果系统中不含写缓冲时，读取时该位返回0.写入时忽略 当系统中不能禁止写缓冲时，读取时返回1.写入时忽略
P（bit[4]） 对于向前兼容26位地址的ARM处理器，本控制位控制PROG32控制信号 0 ：异常中断处理程序进入 32 位地址模式 1 ：异常中断处理程序进入26 位地址模式 如果本系统中不支持向前兼容26位地址，读取该位时返回1，写入时忽略
D（bit[5]） 对于向前兼容26位地址的ARM处理器，本控制位控制DATA32控制信号 0 ：禁止 26 位地址异常检查 1 ：使能 26 位地址异常检查 如果本系统中不支持向前兼容26位地址，读取该位时返回1，写入时忽略
L（bit[6]） 对于ARMv3及以前的版本，本控制位可以控制处理器的中止模型 0 ：选择早期中止模型 1 ：选择后期中止模型
B（bit[7]） 对于存储系统同时支持big-endian和little-endian的ARM系统，本控制位配置系统的存储模式 0 ： little endian 1 ： big endian 对于只支持little-endian的系统，读取时该位返回0，写入时忽略 对于只支持big-endian的系统，读取时该位返回1，写入时忽略
S（bit[8]） 在基于 MMU 的存储系统中，本位用作系统保护
R（bit[9]） 在基于 MMU 的存储系统中，本位用作 ROM 保护
F（bit[10]） 由生产商定义
Z（bit[11]） 对于支持跳转预测的ARM系统，本控制位禁止/使能跳转预测功能 0 ：禁止跳转预测功能 1 ：使能跳转预测功能 对于不支持跳转预测的ARM系统，读取该位时返回0，写入时忽略
I（bit[12]） 当数据cache和指令cache是分开的，本控制位禁止/使能指令cache 0 ：禁止指令 cache 1 ：使能指令 cache 如果系统中使用统一的指令cache和数据cache或者系统中不含cache，读取该位时返回0，写入时忽略。当系统中的指令cache不能禁止时，读取时该位返回1，写入时忽略
V（bit[13]） 对于支持高端异常向量表的系统，本控制位控制向量表的位置 0 ：选择低端异常中断向量 0x0~0x1c 1 ：选择高端异常中断向量0xffff0000~ 0xffff001c 对于不支持高端异常向量表的系统，读取时该位返回0，写入时忽略
PR（bit[14]） 如果系统中的cache的淘汰算法可以选择的话，本控制位选择淘汰算法 0 ：常规的 cache 淘汰算法，如随机淘汰 1 ：预测性淘汰算法，如round-robin 淘汰算法 如果系统中cache的淘汰算法不可选择，写入该位时忽略。读取该位时，根据其淘汰算法是否可以比较简单地预测最坏情况返回0或者1
L4（bit[15]） 对于ARM版本5及以上的版本，本控制位可以提供兼容以前的ARM版本的功能 0 ：保持 ARMv5 以上版本的正常功能 1 ：将 ARMv5 以上版本与以前版本处理器 兼容，不根据跳转地址的 bit[0] 进行 ARM 指令和 Thumb 状态切换： bit[0] 等于 0 表示 ARM 指令，等于 1 表示 Thumb 指令
Bits[31:16]） 这些位保留将来使用，应为UNP/SBZP

（3）CP15的寄存器C2

C2寄存器的别名：Translation table base (TTB) register C2寄存器用来保存页表的基地址，即一级映射描述符表的基地址。其编码格如下所示：

[31:0]
一级映射描述符表的基地址（物理地址）

(4) CP15 的寄存器 C3

CP15 中的寄存器 C3 定义了 ARM 处理器的 16 个域的访问权限。

在 CP15的C3寄存器中，划分了 16个域，每个区域由两位构成，这两位说明了当前内存的检查权限：

00：当前级别下，该内存区域不允许被访问，任何的访问都会引起一个domain fault，这时 AP位无效 ；

01：当前级别下，该内存区域的访问必须配合该内存区域的段描述符中AP位进行权检查 ；

10：保留状态（我们最好不要填写该值，以免引起不能确定的问题） ；

11：当前级别下，对该内存区域的访问都不进行权限检查， 这时 AP位无效 。

所以只有当相应域的编码为 01 时，才会根据 AP位 和协处理器CP15中的C1寄存器的R,S位进行权限检查。

（5） CP15 的寄存器 C5

CP15 中的寄存器 C5 是失效状态寄存器，分为指令状态失效和数据状态失效。

MRC p15, 0, , c5, c0, 0 :访问数据失效状态寄存器

MRC p15, 0, , c5, c0, 1 :访问指令状态失效寄存器 编码格式如下所示：

[31:9] 8 [7:4] [3:0]
UNP/SBZP 0 域标识 状态标识

其中，域标识bit[7:4]表示存放引起存储访问失效的存储访问所属的域。状态标识 bit[3:0] 表示放引起存储访问失效的存储访问类型，该字段含义如下表所示（优先级由上到下递减）。

(6) CP15的寄存器C6

CP15 中的寄存器 C6 是失效地址寄存器，其中保存了引起存储访问失效的地址，分为数据失效地址寄存器和指令失效地址寄存器。

MRC p15, 0, , c6, c0, 0 :访问数据失效地址寄存器

MRC p15, 0, , c6, c0, 2 :访问指令失效地址寄存器 编码格式如下所示：

[31:0]
失效地址（虚拟地址）

(7) CP15的寄存器C7

CP15 的 C7 寄存器用来控制 cache 和写缓存，它是一个只写寄存器，读操作将产生不可预知的后果。

访问 CP15 的 C7 寄存器的指令格式为：mcr p15, 0, Rd, CRn, CRm, opcode_2 。具体含义如下表所示（表中的数据是指Rd中的数据）

(8) CP15的寄存器C8

系统协处理器CP15的寄存器C8就是清除TLB内容的相关操作。它是一个只写的寄存器。

MCR p15，0，Rd，c8，CRm，opcode_2

Rd中为要写入C8寄存器的内容，CRm和opcode_2的不同组合决定指令执行的不同操作。

(9) CP15的寄存器C12

CP15寄存器C12用来设置异常向量基地址，其编码格式如下所示： MCR p15, 0, , c12, c0, 0，Rd中存放要修改的异常向量基地址

[31:5] [4:0]
异常向量基地址 Reserve

注：只有ARM11和cortex-a 可以任意修改异常向量基地址。arm7,ARM9,ARM10只可以在0地址或0xffff0000中

(10) CP15的寄存器C13

CP15中的寄存器C13用于快速上下文切换。其编码格式如下所示

[31:25] [24:0]
PID ０

其中， 在读操作时，结果中位[31：:25]返回PID，其他位 的数值是不可以预知的。写操作将设置PID的值。当PID的值为0时，MVA = VA | (0（PID）<<25)，MVA=VA,相当于禁止了FCSE。系统复位后PID即为0。当PID的值不为0时，相当于使能了FCSE。

参考链接:

协处理器CP15介绍—MCR/MRC指令(6)

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