淺談ARM協(xié)處理器CP15

　ARM存儲系統(tǒng)有非常靈活的體系結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)不同的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的需要。ARM存儲器系統(tǒng)可以使用簡單的平板式地址映射機制（就像一些簡單的單片機一樣，地址空間的分配方式是固定的，系統(tǒng)中各部分都使用物理地址），也可以使用其他技術(shù)提供功能更為強大的存儲系統(tǒng)。比如：
　　· 系統(tǒng)可能提供多種類型的存儲器件，如FLASH、ROM、SRAM等；
　　· Caches技術(shù)；
　　· 寫緩存技術(shù)（write buffers）；
　　· 虛擬內(nèi)存和I/O地址映射技術(shù)。
　　大多數(shù)的系統(tǒng)通過下面的方法之一實現(xiàn)對復(fù)雜存儲系統(tǒng)的管理。
　　· 使能Cache，縮小處理器和存儲系統(tǒng)速度差別，從而提高系統(tǒng)的整體性能。
　　· 使用內(nèi)存映射技術(shù)實現(xiàn)虛擬空間到物理空間的映射。這種映射機制對嵌入式系統(tǒng)非常重要。通常嵌入式系統(tǒng)程序存放在ROM/FLASH中，這樣系統(tǒng)斷電后程序能夠得到保存。但是通常ROM/FLASH與SDRAM相比，速度慢很多，而且基于ARM的嵌入式系統(tǒng)中通常把異常中斷向量表放在RAM中。利用內(nèi)存映射機制可以滿足這種需要。在系統(tǒng)加電時，將ROM/FLASH映射為地址0，這樣可以進行一些初始化處理；當(dāng)這些初始化處理完成后將SDRAM映射為地址0，并把系統(tǒng)程序加載到SDRAM中運行，這樣很好地滿足嵌入式系統(tǒng)的需要。
　　· 引入存儲保護機制，增強系統(tǒng)的安全性。
　　· 引入一些機制保證將I/O操作映射成內(nèi)存操作后，各種I/O操作能夠得到正確的結(jié)果。在簡單存儲系統(tǒng)中，不存在這樣問題。而當(dāng)系統(tǒng)引入了Cache和write buffer后，就需要一些特別的措施。
　　在ARM系統(tǒng)中，要實現(xiàn)對存儲系統(tǒng)的管理通常是使用協(xié)處理器CP15，它通常也被稱為系統(tǒng)控制協(xié)處理器（System Control Coprocessor）。
　　ARM的存儲器系統(tǒng)是由多級構(gòu)成的，每級都有特定的容量和速度。
　　圖15.1顯示了存儲器的層次結(jié)構(gòu)。
　?、?寄存器。處理器寄存器組可看作是存儲器層次的頂層。這些寄存器被集成在處理器內(nèi)核中，在系統(tǒng)中提供最快的存儲器訪問。典型的ARM處理器有多個32位寄存器，其訪問時間為ns量級。
　　
　　圖15.1 存儲器的層次結(jié)構(gòu)
　?、?緊耦合存儲器TCM。為彌補Cache訪問的不確定性增加的存儲器。TCM是一種快速SDRAM，它緊挨內(nèi)核，并且保證取指和數(shù)據(jù)操作的時鐘周期數(shù)，這一點對一些要求確定行為的實時算法是很重要的。TCM位于存儲器地址映射中，可作為快速存儲器來訪問。
　?、?片上Cache存儲器的容量在8KB～32KB之間，訪問時間大約為10ns。
　?、?高性能的ARM結(jié)構(gòu)中，可能存在第二級片外Cache，容量為幾百KB，訪問時間為幾十ns。
　　⑤ DRAM。主存儲器可能是幾MB到幾十MB的動態(tài)存儲器，訪問時間大約為100ns。
　?、?后援存儲器，通常是硬盤，可能從幾百MB到幾個GB，訪問時間為幾十ms。
　　注意TCM和SRAM在技術(shù)上相同，但在結(jié)構(gòu)排列上不同；TCM在片上，而SRAM在板上。
　　15.1 協(xié)處理器CP15
　　ARM處理器支持16個協(xié)處理器。在程序執(zhí)行過程中，每個協(xié)處理器忽略屬于ARM處理器和其他協(xié)處理器的指令。當(dāng)一個協(xié)處理器硬件不能執(zhí)行屬于它的協(xié)處理器指令時，將產(chǎn)生一個未定義指令異常中斷，在該異常中斷處理程序中，可以通過軟件模擬該硬件操作。比如，如果系統(tǒng)不包含向量浮點運算器，則可以選擇浮點運算軟件模擬包來支持向量浮點運算。
　　CP15，即通常所說的系統(tǒng)控制協(xié)處理器（System Control Coprocesssor）。它負責(zé)完成大部分的存儲系統(tǒng)管理。除了CP15外，在具體的各種存儲管理機制中可能還會用到其他的一些技術(shù)，如在MMU中除CP15外，還使用了頁表技術(shù)等。
　　在一些沒有標準存儲管理的系統(tǒng)中，CP15是不存在的。在這種情況下，針對協(xié)處理器CP15的操作指令將被視為未定義指令，指令的執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。
　　CP15包含16個32位寄存器，其編號為0～15。實際上對于某些編號的寄存器可能對應(yīng)多個物理寄存器，在指令中指定特定的標志位來區(qū)分這些物理寄存器。這種機制有些類似于ARM中的寄存器，當(dāng)處于不同的處理器模式時，某些相同編號的寄存器對應(yīng)于不同的物理寄存器。
　　CP15中的寄存器可能是只讀的，也可能是只寫的，還有一些是可讀可寫的。在對協(xié)處理器寄存器進行操作時，需要注意以下幾個問題。
　　· 寄存器的訪問類型（只讀/只寫/可讀可寫）。
　　· 不同的訪問引發(fā)的不同功能。
　　· 相同編號的寄存器是否對應(yīng)不同的物理寄存器。
　　· 寄存器的具體作用。
　　15.1.1 CP15寄存器訪問指令
　　通常對協(xié)處理器CP15的訪問使用以下兩種指令。
　　MCR：將ARM寄存器的值寫入CP15寄存器中；
　　MRC：將CP15寄存器的值寫入ARM寄存器中。
　　注意通過協(xié)處理器訪問指令CDP、LDC和STC指令對協(xié)處理器CP15進行訪問將產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果。
　　其中，CDP為協(xié)處理器數(shù)據(jù)操作指令，這個指令初始化一些與協(xié)處理器相關(guān)的操作；
　　LDC為一個或多個字的協(xié)處理器數(shù)據(jù)讀取指令，此指令從存儲器讀取數(shù)據(jù)到指定的協(xié)處理器中；
　　STC為一個或多個32位字的協(xié)處理器數(shù)據(jù)寫入指令，此指令初始化一個協(xié)處理器的寫操作，從給定的協(xié)處理器把數(shù)據(jù)傳送到存儲器中。
　　指令MCR和MRC指令訪問CP15寄存器使用通用語法。
　　語法格式為：
　　MCR{《cond》} p15，《opcode1=0》，《Rd》，《CRn》，《CRm》{，《opcode2》}
　　MRC{《cond》} p15，《opcode1=0》，《Rd》，《CRn》，《CRm》{，《opcode2》}
　　其中：
　　《cond》為指令的執(zhí)行條件。當(dāng)《cond》條件域為空時，指令無條件執(zhí)行；
　　《opcode1》在標準的MRC指令中，為協(xié)處理器的《opcode1》，即操作數(shù)1。對于CP15來說，此操作數(shù)恒為0，即0b000。當(dāng)針對CP15的MRC指令中《opcode1》不為0時，指令的操作結(jié)果不可預(yù)知；
　　《Rd》為ARM寄存器，在ARM和協(xié)處理器交換數(shù)據(jù)時使用。在MRC指令中作為目的寄存器，在MCR中作為源寄存器。
　　注意r15不能作為ARM寄存器出現(xiàn)在MRC或MCR指令中，如果r15作為《Rd》出現(xiàn)在這里，那么指令的執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。
　　《CRn》是CP15協(xié)處理器指令中用到的主要寄存器。在MRC指令中為源寄存器，在MCR中為目的寄存器。CP15協(xié)處理器的寄存器c0、c1、…、c15均可出現(xiàn)在這里。
　　《CRm》是附加的協(xié)處理器寄存器，用于區(qū)分同一個編號的不同物理寄存器和訪問類型。當(dāng)指令中不需要提供附加信息時，將《CRm》指定為C0，否則指令的操作結(jié)果不可預(yù)知。
　　《opcode2》提供附加信息，用于區(qū)分同一個編號的不同物理寄存器，當(dāng)指令中沒有指定附加信息時，省略《opcode2》或者將其指定為0，否則指令的操作結(jié)果不可預(yù)知。
　　MCR和MRC指令只能操作在特權(quán)模式下，如果處理器運行在用戶模式，指令的執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。
　　注意在用戶模式下，如果要訪問系統(tǒng)控制協(xié)處理器，通常的做法是由操作系統(tǒng)提供SWI軟中斷調(diào)用來完成系統(tǒng)模式的切換。由于不同型號的ARM處理器對此管理差別很大，所以建議用戶在應(yīng)用時將SWI作為一個獨立的模塊來管理并向上提供通用接口，以屏蔽不同型號處理器之間的差異。
　　例15.1給出了一個典型的利用SWI進行模式切換的例子。
　　【例15.1】
　　典型的在SWI中進行模式切換的例子。利用此例，調(diào)用SWI 0來完成系統(tǒng)模式切換。
　　EHT_SWI
　　LDR sp，=EHT_Exception_Stack ;更新SWI堆棧指針
　　ADD sp，sp，#EXCEPTION_SIZE ;得到棧頂指針
　　STMDB sp！，{r0-r2，lr} ;保存程序中用到的寄存器
　　MRS r0，SPSR ;得到SPSR
　　STMDB sp！，{r0} ;保持SPSR
　　LDR r0，［lr，#-4］ ;計算SWI指令地址
　　BIC r0，r0，#0xFF000000 ;提取中斷向量號
　　CMP r0，#MAX_SWI ;檢測中斷向量范圍
　　LDRLS pc，［pc，r0，LSL #2］ ;如果在范圍內(nèi)，跳轉(zhuǎn)到軟中斷向量表
　　B EHT_SWI_Exit ;為定義的SWI指令出口
　　EHT_Jump_Table
　　DCD EHT_SU_Switch
　　DCD EHT_Disable_Interrupts
　?。?********************************************************************************
　??；用戶可在此添加更多的自定義軟中斷，在此SWI0作為系統(tǒng)保留的軟中斷，調(diào)用例程EHT_SU_Switch，來進行模式切換
　??；*********************************************************************************
　　EHT_SU_Switch
　　MMU_DISABLE ;轉(zhuǎn)換前禁用MMU
　　LDMIA sp！，{r0} ;從堆棧中取出SPSR
　　BIC r0，r0，#MODE_MASK ;清除模式位
　　ORR r0，r0，#SYS_MODE ;設(shè)置程序狀態(tài)字的supper模式位
　　STMDB sp！，{r0} ;從新將SPSR放入堆棧
　　B EHT_SWI_Exit
　　EHT_Disable_Interrupts
　　LDMIA sp！，{r0} ;從堆棧中讀出SPSR
　　ORR r0，r0，#LOCKOUT ;禁止中斷
　　STMDB sp！，{r0} ;存儲SPSR到中斷
　　; B EHT_SWI_Exit
　　EHT_SWI_Exit
　　LDMIA sp！，{r0} ;從堆棧中讀出SPSR
　　MSR SPSR_cf，r0 ;將SPSR放入SPSR_cf
　　LDMIA sp！，{r0-r2，pc}^ ;寄存器出棧并返回
　　END
　　15.1.2 CP15中的寄存器
　　表15.1給出了CP15主要寄存器的功能和作用。
　　表15.1 CP15寄存器
　　寄存器編號基 本 作 用特 殊 用 途
　　0ID編號（只讀）ID和Cache類型
　　1控制位各種控制位
　　2存儲器保護和控制MMU：地址轉(zhuǎn)換表基地址
　　PU：Cache屬性設(shè)置
　　3內(nèi)存保護和控制MMU：域訪問控制
　　PU：寫緩存控制
　　4內(nèi)存保護和控制保留
　　5內(nèi)存保護和控制MMU：錯誤狀態(tài)
　　PU：訪問權(quán)限控制
　　6內(nèi)存保護和控制MMU：錯誤狀態(tài)
　　PU：保護區(qū)域控制
　　7Cache和寫緩存Cache和寫緩存控制
　　8內(nèi)存保護和控制MMU：TLB控制
　　PU：保留
　　9Cache和寫緩存Cache鎖定
　　續(xù)表
　　寄存器編號基 本 作 用特 殊 用 途
　　10內(nèi)存保護和控制MMU：TLB鎖定
　　PU：保留
　　11保留保留
　　12保留保留
　　13進程ID進程ID
　　14保留保留
　　15芯片生產(chǎn)廠商定義芯片生產(chǎn)廠商定義
　　15.1.3 寄存器c0
　　寄存器c0包含的是ARM本身或芯片生產(chǎn)廠商的一些標識信息。當(dāng)使用MRC指令讀c0寄存器時，根據(jù)第二個操作碼opcode2的不同，讀出的標識符也是不同的。操作碼與標識符的對應(yīng)關(guān)系如表15.2所示。寄存器c0是只讀寄存器，當(dāng)用MCR指令對其進行寫操作時，指令的執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。
　　表15.2 操作碼和標識符的對應(yīng)關(guān)系
　　操作碼opcode2對應(yīng)的標識符寄存器
　　0b000主標識符寄存器
　　0b001Cache類型寄存器
　　其他保留
　　在操作碼opcode2的取值中，主標識符（opcode2=0）是強制定義的，其他標識符由芯片的生產(chǎn)廠商定義。如果操作碼opcode2指定的值未定義，指令將返回主標識符。其他標識符的值應(yīng)與主標識符的值不同，可以由軟件編程來實現(xiàn)，同時讀取主標識符和其他標識符，并將兩者的值進行比較。如果兩個標識符值相同，說明未定義該標識符；如果兩個標識符值不同，說明定義了該標識符，并且得到該標識符的值。