ARM處理器中CP15協(xié)處理器地址變換過程詳解

0 前言

之前我們?cè)趯W(xué)習(xí)MMU的時(shí)候， 知道這個(gè)內(nèi)存的分配和CP15協(xié)處理器 。這里先介紹一下CP15寄存器以及訪問CP15寄存器的匯編指令。

1 訪問CP15寄存器的指令

訪問CP15寄存器指令的編碼格式及語(yǔ)法說明如下：

說明：

• 協(xié)處理器行為操作碼，對(duì)于CP15來說，永遠(yuǎn)為0b000，否則結(jié)果未知。
• 不能是r15/pc，否則，結(jié)果未知。
• 作為目標(biāo)寄存器的協(xié)處理器寄存器，編號(hào)為C0~C15。
• 附加的目標(biāo)寄存器或源操作數(shù)寄存器，如果不需要設(shè)置附加信息，將crm設(shè)置為c0，否則結(jié)果未知。
• 提供附加信息比如寄存器的版本號(hào)或者訪問類型 ，用于區(qū)分同一個(gè)編號(hào)的不同物理寄存器，可以省略或者將其設(shè)置為0，否則結(jié)果未知。

2 CP15寄存器介紹

CP15的寄存器列表：

ARM處理器中CP15協(xié)處理器的寄存器

CP15中寄存器C0對(duì)應(yīng)兩個(gè)標(biāo)識(shí)符寄存器，由訪問CP15中的寄存器指令中的指定要訪問哪個(gè)具體物理寄存器，與兩個(gè)標(biāo)識(shí)符寄存器的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下所示：

CP15的寄存器C0

1）主標(biāo)識(shí)符寄存器

訪問主標(biāo)識(shí)符寄存器的指令格式如下所示：

mrc p15, 0, r0, c0, c0, 0      ；將主標(biāo)識(shí)符寄存器C0,0的值讀到r0中

為了防止大家不理解：

MRC：協(xié)處理器寄存器到ARM寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令p15：ARM中用于存儲(chǔ)管理的系統(tǒng)控制協(xié)處理器CP15第一個(gè)0：操作碼1R0：ARM寄存器c0：協(xié)處理器寄存器；基本作用：ID編碼（只讀）；在MMU中的作用：ID編碼和cache類型最后一個(gè)0：操作碼2整句作用：讀取CP15的主標(biāo)識(shí)寄存器的指令，該指令將主標(biāo)識(shí)符寄存器的內(nèi)容讀取到ARM寄存器R0中。

ARM不同版本體系處理器中主標(biāo)識(shí)符寄存器的編碼格式說明如下。

ARM7之后處理器的主標(biāo)識(shí)符寄存器編碼格式如下所示：

ARM7處理器的主標(biāo)識(shí)符寄存器編碼格式如下所示：

ARM7之前處理器的主標(biāo)識(shí)符寄存器編碼格式如下所示：

2）cache類型標(biāo)識(shí)符寄存器

訪問cache類型標(biāo)識(shí)符寄存器的指令格式如下所示：

mrc p15, 0, r0, c0, c0, 1      ；將cache類型標(biāo)識(shí)符寄存器C0,1的值讀到r0中

ARM處理器中cache類型標(biāo)識(shí)符寄存器的編碼格式如下所示：

其中控制字段位[28：25]的含義說明如下：

cache類型標(biāo)識(shí)符寄存器的控制字段位[28：25]

控制字段位[23：12]和控制字段位[11：0]的編碼格式相同，含義如下所示：

cache容量字段bits[8: 6]的含義如下所示：

cache相聯(lián)特性字段bits[5: 3]的含義如下所示：

cache塊大小字段bits[1: 0]的含義如下所示：

CP15的寄存器C1

訪問主標(biāo)識(shí)符寄存器的指令格式如下所示：

mrc p15, 0, r0, c1, c0{, 0}    ；將CP15的寄存器C1的值讀到r0中        mcr p15, 0, r0, c1, c0{, 0}    ；將r0的值寫到CP15的寄存器C1中

CP15中的寄存器C1的編碼格式及含義說明如下：

CP15的寄存器C2

CP15中的寄存器C2保存的是頁(yè)表的基地址，即一級(jí)映射描述符表的基地址。其編碼格如下所示：

CP15的寄存器C3

CP15中的寄存器C3定義了ARM處理器的16個(gè)域的訪問權(quán)限。

在ARM處理器中，MMU將整個(gè)存儲(chǔ)空間分成最多16個(gè)域，記作D0~D15，每個(gè)域?qū)?yīng)一定的存儲(chǔ)區(qū)域，該區(qū)域具有相同的訪問控制屬性。每個(gè)域的訪問權(quán)限分別由CP15的C3寄存器中的兩位來設(shè)定，c3寄存器的大小為32bits，剛好可以設(shè)置16個(gè)域的訪問權(quán)限。

CP15的寄存器C5

CP15中的寄存器C5是失效狀態(tài)寄存器，編碼格式如下所示：

其中，域標(biāo)識(shí)bit[7：4]表示存放引起存儲(chǔ)訪問失效的存儲(chǔ)訪問所屬的域。

狀態(tài)標(biāo)識(shí)bit[3：0]表示放引起存儲(chǔ)訪問失效的存儲(chǔ)訪問類型 ，該字段含義如表4-3所示（優(yōu)先級(jí)由上到下遞減）。

狀態(tài)標(biāo)識(shí)字段含義

CP15中的寄存器C6

CP15中的寄存器C5是失效地址寄存器，編碼格式如下所示：

CP15中的寄存器C7

CP15的C7寄存器用來控制cache和寫緩存，它是一個(gè)只寫寄存器，讀操作將產(chǎn)生不可預(yù)知的后果。

訪問CP15的C7寄存器的指令格式如下所示：

mcr p15, 0, < rd >, < c7 >, crm, < opcode_2 >；        < rd >、< crm >和< opcode_2 >的不同取值    組合 實(shí)現(xiàn)不同功能

CP15中的寄存器C8

CP15的C8寄存器用來控制清除TLB的內(nèi)容，是只寫寄存器，讀操作將產(chǎn)生不可預(yù)知的后果。

訪問CP15的C8寄存器的指令格式如下所示：

mcr p15, 0, < rd >, < c8 >, crm, < opcode_2 >；        < rd >、< crm >和< opcode_2 >的不同取值    組合實(shí)現(xiàn)不同功能

CP15中的寄存器C9

CP15的C9寄存器用于控制cache內(nèi)容鎖定。

訪問CP15的C9寄存器的指令格式如下所示：

mcr p15, 0, < rd >, < c9 >, c0, < opcode_2 >        mrc p15, 0, < rd >, < c9 >, c0, < opcode_2 >

如果系統(tǒng)中包含獨(dú)立的指令cache和數(shù)據(jù)cache， 那么對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)cache和指令cache分別有一個(gè)獨(dú)立的cache內(nèi)容鎖定寄存器 ，用來選擇其中的某個(gè)寄存器：

• =1選擇指令cache的內(nèi)容鎖定寄存器；
• =0選擇數(shù)據(jù)cache的內(nèi)容鎖定寄存器。

CP15的C9寄存器有A、B兩種編碼格式。

編碼格式A如下所示：

其中index表示當(dāng)下一次發(fā)生cache未命中時(shí)，將預(yù)取的存儲(chǔ)塊存入cache中該塊對(duì)應(yīng)的組中序號(hào)為index的cache塊中。

此時(shí)序號(hào)為0~index-1的cache塊被鎖定，當(dāng)發(fā)生cache替換時(shí)，從序號(hào)為index到ASSOCIATIVITY的塊中選擇被替換的塊。

編碼格式B如下所示：

CP15的寄存器C10

CP15的C10寄存器用于控制TLB內(nèi)容鎖定。

訪問CP15的C10寄存器的指令格式如下所示：

mcr p15, 0, < rd >, < c10 >, c0, < opcode_2 >        mrc p15, 0, < rd >, < c10 >, c0, < opcode_2 >

如果系統(tǒng)中包含獨(dú)立的指令TLB和數(shù)據(jù)TLB，那么對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)TLB和指令TLB分別有一個(gè)獨(dú)立的TLB內(nèi)容鎖定寄存器，

用來選擇其中的某個(gè)寄存器：

• =1選擇指令TLB的內(nèi)容鎖定寄存器；
• =0選擇數(shù)據(jù)TLB的內(nèi)容鎖定寄存器。

C10寄存器的編碼格式如下：

CP15的寄存器C13

C13寄存器用于快速上下文切換FCSE。

FCSE（Fast Context Switch Extension,快速上下文切換）位于 CPU 和 MMU 之間，如果兩個(gè)進(jìn)程使用了同樣的虛擬地址空間，則對(duì) CPU而言，兩個(gè)進(jìn)程使用了同樣的虛擬地址空間。

訪問CP15的C13寄存器的指令格式如下所示：

mcr p15, 0, < rd >, < c13 >, c0, 0        mrc p15, 0, < rd >, < c13 >, c0, 0

C13寄存器的編碼格式如下所示：

其中，PID表示當(dāng)前進(jìn)程的所在的進(jìn)程空間塊的編號(hào)，即當(dāng)前進(jìn)程的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符，取值為0~127。

• 0：MVA（變換后的虛擬地址）= VA（虛擬地址），禁止FCSE（快速上下文切換技術(shù)），系統(tǒng)復(fù)位后PID=0；
• 非0：使能FCSE。

3 FCSE

FCSE 概述

FCSE（Fast Context Switch Extension,快速上下文切換）位于 CPU 和 MMU 之間，如果兩個(gè)進(jìn)程使用了同樣的虛擬地址空間，則對(duì) CPU而言，兩個(gè)進(jìn)程使用了同樣的虛擬地址空間。

快速上下文切換機(jī)構(gòu)對(duì)各進(jìn)程的虛擬地址進(jìn)行變換 ，這樣系統(tǒng)中除了 CPU 之外的部分看到的是經(jīng)過快速上下文切換機(jī)構(gòu)變換的虛擬地址。

快速上下文切換機(jī)構(gòu)將各進(jìn)程的虛擬空間變換成不同的虛擬空間 ， 這樣在進(jìn)行進(jìn)程間切換時(shí)就不需要進(jìn)行虛擬地址到物理地址的重映射 。

通常情況下，如果兩個(gè)進(jìn)程占用的虛擬地址空間由重疊，系統(tǒng)在這兩個(gè)進(jìn)程之間進(jìn)行切換時(shí)，必須進(jìn)行虛擬地址到物理地址的重映射。

而虛擬地址到物理地址的重映射涉及到重建MMU中的頁(yè)表，而且cache 及TLB中的內(nèi)容都必須使無(wú)效（通過設(shè)置協(xié)處理器寄存器的相關(guān)位）。

這些操作將帶類巨大的系統(tǒng)開銷，一方面重建MMU和使無(wú)效cache及TLB的內(nèi)容需要很大的開銷，另一方面重建cache和TLB內(nèi)容也需要很大的開銷。

快速上下文切換（FCSE）通過修改系統(tǒng)中不同進(jìn)程的虛擬地址，避免在進(jìn)行進(jìn)程間切換時(shí)造成的虛擬地址到物理地址的重映射，這樣就減少了重建 MMU，使 Cache 和 TLB無(wú)效，重建 Cache和 TLB內(nèi)容等操作的巨大開銷，從而提高了系統(tǒng)的性能。

FCSE 原理

ARM系統(tǒng)中，4GB的虛擬空間被分成了128個(gè)進(jìn)程空間塊，每一個(gè)進(jìn)程空間塊大小為32MB。

每個(gè)進(jìn)程空間塊中可以包含一個(gè)進(jìn)程，該進(jìn)程可以使用虛擬地址空間0x0~0x01FFFFFF,這個(gè)地址范圍也就是CPU看到的進(jìn)程的虛擬空間。

系統(tǒng)128個(gè)進(jìn)程空間塊的編號(hào)0~127，

標(biāo)號(hào)為X 的進(jìn)程空間塊中的進(jìn)程實(shí)際使用的虛擬地址空間為（X0x02000000）到（X0x02000000+0x01FFFFFF），這個(gè)地址空間是系統(tǒng)中除了CPU 之外的其他部分看到的該進(jìn)程所占用的虛擬地址空間。

快速上下文切換機(jī)構(gòu)將CPU發(fā)出的每個(gè)虛擬地址按照上述的規(guī)則進(jìn)行變換，然后發(fā)送到系統(tǒng)的其他部分。變換過程如下圖：

由地址VA到MVA的變換算法如下所示；

if (VA[31:25]==0b0000000)thenMVA=VA|(PID< 25)elseMVA=VA

其中。PID為當(dāng)前進(jìn)程的所在進(jìn)程空間的編號(hào)，即當(dāng)前進(jìn)程的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符。其取值為0~127。

• a.系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程都使用虛擬地址空間0x0~0x01FFFFFF,當(dāng)進(jìn)程訪問本進(jìn)程的指令和數(shù)據(jù)時(shí)，它產(chǎn)生的為虛擬地址VA的高7位為0；快速上下文切換機(jī)構(gòu)用該進(jìn)程的進(jìn)程標(biāo)示符代替VA的高7位，從而得到變換后的虛擬地址MVA，這個(gè)MVA在該進(jìn)程對(duì)應(yīng)的進(jìn)程空間塊內(nèi)。``` PID | PID | 0.....0 |

VA |0000000| VA | 置1運(yùn)算

MVA | PID | VA |

+ b.當(dāng)VA的高7位不全是0時(shí)，MVA=VA。這種VA是本進(jìn)程用于訪問別的進(jìn)程中的數(shù)據(jù)和指令的虛擬地址，注意這時(shí)被訪問的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符不能為0.CP15中的寄存器C13用于快速上下文切換。其編碼格式如下所示。![在這里插入圖片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/7f3d6462809345ef80c13815f7394967.png)其中，PID 表示當(dāng)前進(jìn)程所在的進(jìn)程空間塊的編號(hào)，即當(dāng)前進(jìn)程的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符，取值為 0~127.訪問寄存器C13的指令格式如下所示。

MCR p15, 0,,,c0,0

MRC P15,0,,,c0,0

其中， 在讀操作時(shí)，結(jié)果中位[31：:25]返回PID，其他位的數(shù)值是不可以預(yù)知的。寫操作將設(shè)置PID的值。

* 當(dāng)PID的值為0時(shí)，MVA=VA,相當(dāng)于禁止了FCSE。系統(tǒng)復(fù)位后PID即為0.
* 當(dāng)PID的值不為0時(shí)，相當(dāng)于使能了FCSE。