ARM存储器之：协处理器CP15

ARM存储系统有非常灵活的体系结构，可以适应不同的嵌入式应用系统的需要。ARM存储器系统可以使用简单的平板式地址映射机制（就像一些简单的单片机一样，地址空间的分配方式是固定的，系统中各部分都使用物理地址），也可以使用其他技术提供功能更为强大的存储系统。比如：

·  系统可能提供多种类型的存储器件，如FLASH、ROM、SRAM等；

·  Caches技术；

·  写缓存技术（write buffers）；

·  虚拟内存和I/O地址映射技术。

大多数的系统通过下面的方法之一实现对复杂存储系统的管理。

·  使能Cache，缩小处理器和存储系统速度差别，从而提高系统的整体性能。

·  使用内存映射技术实现虚拟空间到物理空间的映射。这种映射机制对嵌入式系统非常重要。通常嵌入式系统程序存放在ROM/FLASH中，这样系统断电后程序能够得到保存。但是通常ROM/FLASH与SDRAM相比，速度慢很多，而且基于ARM的嵌入式系统中通常把异常中断向量表放在RAM中。利用内存映射机制可以满足这种需要。在系统加电时，将ROM/FLASH映射为地址0，这样可以进行一些初始化处理；当这些初始化处理完成后将SDRAM映射为地址0，并把系统程序加载到SDRAM中运行，这样很好地满足嵌入式系统的需要。

·  引入存储保护机制，增强系统的安全性。

·  引入一些机制保证将I/O操作映射成内存操作后，各种I/O操作能够得到正确的结果。在简单存储系统中，不存在这样问题。而当系统引入了Cache和write buffer后，就需要一些特别的措施。

在ARM系统中，要实现对存储系统的管理通常是使用协处理器CP15，它通常也被称为系统控制协处理器（System Control Coprocessor）。

ARM的存储器系统是由多级构成的，每级都有特定的容量和速度。

图15.1显示了存储器的层次结构。

① 寄存器。处理器寄存器组可看作是存储器层次的顶层。这些寄存器被集成在处理器内核中，在系统中提供最快的存储器访问。典型的ARM处理器有多个32位寄存器，其访问时间为ns量级。

图15.1  存储器的层次结构

② 紧耦合存储器TCM。为弥补Cache访问的不确定性增加的存储器。TCM是一种快速SDRAM，它紧挨内核，并且保证取指和数据操作的时钟周期数，这一点对一些要求确定行为的实时算法是很重要的。TCM位于存储器地址映射中，可作为快速存储器来访问。

③ 片上Cache存储器的容量在8KB～32KB之间，访问时间大约为10ns。

④ 高性能的ARM结构中，可能存在第二级片外Cache，容量为几百KB，访问时间为几十ns。

⑤ DRAM。主存储器可能是几MB到几十MB的动态存储器，访问时间大约为100ns。

⑥ 后援存储器，通常是硬盘，可能从几百MB到几个GB，访问时间为几十ms。

15.1  协处理器CP15

ARM处理器支持16个协处理器。在程序执行过程中，每个协处理器忽略属于ARM处理器和其他协处理器的指令。当一个协处理器硬件不能执行属于它的协处理器指令时，将产生一个未定义指令异常中断，在该异常中断处理程序中，可以通过软件模拟该硬件操作。比如，如果系统不包含向量浮点运算器，则可以选择浮点运算软件模拟包来支持向量浮点运算。

CP15，即通常所说的系统控制协处理器（System Control Coprocesssor）。它负责完成大部分的存储系统管理。除了CP15外，在具体的各种存储管理机制中可能还会用到其他的一些技术，如在MMU中除CP15外，还使用了页表技术等。

在一些没有标准存储管理的系统中，CP15是不存在的。在这种情况下，针对协处理器CP15的操作指令将被视为未定义指令，指令的执行结果不可预知。

CP15包含16个32位寄存器，其编号为0～15。实际上对于某些编号的寄存器可能对应多个物理寄存器，在指令中指定特定的标志位来区分这些物理寄存器。这种机制有些类似于ARM中的寄存器，当处于不同的处理器模式时，某些相同编号的寄存器对应于不同的物理寄存器。

CP15中的寄存器可能是只读的，也可能是只写的，还有一些是可读可写的。在对协处理器寄存器进行操作时，需要注意以下几个问题。

·  寄存器的访问类型（只读/只写/可读可写）。

·  不同的访问引发的不同功能。

·  相同编号的寄存器是否对应不同的物理寄存器。

·  寄存器的具体作用。

15.1.1  CP15寄存器访问指令

通常对协处理器CP15的访问使用以下两种指令。

MCR：将ARM寄存器的值写入CP15寄存器中；

MRC：将CP15寄存器的值写入ARM寄存器中。

指令MCR和MRC指令访问CP15寄存器使用通用语法。

语法格式为：

MCR{<cond>}  p15，<opcode1=0>，<Rd>，<CRn>，<CRm>{，<opcode2>}

MRC{<cond>}  p15，<opcode1=0>，<Rd>，<CRn>，<CRm>{，<opcode2>}

其中：

<cond>为指令的执行条件。当<cond>条件域为空时，指令无条件执行；

<opcode1>在标准的MRC指令中，为协处理器的<opcode1>，即操作数1。对于CP15来说，此操作数恒为0，即0b000。当针对CP15的MRC指令中<opcode1>不为0时，指令的操作结果不可预知；

<Rd>为ARM寄存器，在ARM和协处理器交换数据时使用。在MRC指令中作为目的寄存器，在MCR中作为源寄存器。

<CRn>是CP15协处理器指令中用到的主要寄存器。在MRC指令中为源寄存器，在MCR中为目的寄存器。CP15协处理器的寄存器c0、c1、…、c15均可出现在这里。

<CRm>是附加的协处理器寄存器，用于区分同一个编号的不同物理寄存器和访问类型。当指令中不需要提供附加信息时，将<CRm>指定为C0，否则指令的操作结果不可预知。

<opcode2>提供附加信息，用于区分同一个编号的不同物理寄存器，当指令中没有指定附加信息时，省略<opcode2>或者将其指定为0，否则指令的操作结果不可预知。

MCR和MRC指令只能操作在特权模式下，如果处理器运行在用户模式，指令的执行结果不可预知。

例15.1给出了一个典型的利用SWI进行模式切换的例子。

【例15.1】

典型的在SWI中进行模式切换的例子。利用此例，调用SWI 0来完成系统模式切换。

EHT_SWI

LDR     sp,=EHT_Exception_Stack ;更新SWI堆栈指针

ADD     sp,sp,#EXCEPTION_SIZE ;得到栈顶指针

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] ;计算SWI指令地址

BIC     r0,r0,#0xFF000000 ;提取中断向量号

CMP     r0,#MAX_SWI ;检测中断向量范围

LDRLS   pc,[pc,r0,LSL #2] ;如果在范围内，跳转到软中断向量表

B       EHT_SWI_Exit ;为定义的SWI指令出口

EHT_Jump_Table

DCD     EHT_SU_Switch

DCD     EHT_Disable_Interrupts

；*********************************************************************************

；用户可在此添加更多的自定义软中断，在此SWI0作为系统保留的软中断，调用例程EHT_SU_Switch，来进行模式切换

；*********************************************************************************

EHT_SU_Switch

         MMU_DISABLE ;转换前禁用MMU

LDMIA   sp!,{r0} ;从堆栈中取出SPSR

BIC     r0,r0,#MODE_MASK ;清除模式位

ORR     r0,r0,#SYS_MODE ;设置程序状态字的supper模式位

STMDB   sp!,{r0} ;从新将SPSR放入堆栈

B       EHT_SWI_Exit

EHT_Disable_Interrupts

LDMIA   sp!,{r0} ;从堆栈中读出SPSR

ORR     r0,r0,#LOCKOUT ;禁止中断

STMDB   sp!,{r0} ;存储SPSR到中断

;    B       EHT_SWI_Exit

EHT_SWI_Exit

LDMIA   sp!,{r0} ;从堆栈中读出SPSR

MSR     SPSR_cf,r0 ;将SPSR放入SPSR_cf

LDMIA   sp!,{r0-r2,pc}^ ;寄存器出栈并返回

END

15.1.2  CP15中的寄存器

表15.1给出了CP15主要寄存器的功能和作用。

表15.1 CP15寄存器

续表

15.1.3  寄存器c0

寄存器c0包含的是ARM本身或芯片生产厂商的一些标识信息。当使用MRC指令读c0寄存器时，根据第二个操作码opcode2的不同，读出的标识符也是不同的。操作码与标识符的对应关系如表15.2所示。寄存器c0是只读寄存器，当用MCR指令对其进行写操作时，指令的执行结果不可预知。

表15.2 操作码和标识符的对应关系

在操作码opcode2的取值中，主标识符（opcode2=0）是强制定义的，其他标识符由芯片的生产厂商定义。如果操作码opcode2指定的值未定义，指令将返回主标识符。其他标识符的值应与主标识符的值不同，可以由软件编程来实现，同时读取主标识符和其他标识符，并将两者的值进行比较。如果两个标识符值相同，说明未定义该标识符；如果两个标识符值不同，说明定义了该标识符，并且得到该标识符的值。

（1）主标识符寄存器

当协处理器指令对CP15进行操作，并且操作码opcode=2时，处理器的主标识符将被读出。从主标识符中，可以确定ARM体系结构的版本型号。同时也可以参考由芯片生产厂商定义的其他标识符，来获得更详细的信息。

在主标识信息中，bit[15：12]区分了不同的处理器版本：

·  如果bit[15:12]为0x0，说明处理器是ARM7之前的处理器；

·  如果bit[15:12]为0x7，说明处理器为ARM7处理器；

·  如果bit[15:12]为其他值，说明处理器为ARM7之后的处理器。

对于ARM7之后的处理器，其标识符的编码格式如图15.2所示。

其中各部分的编码含义说明如下。

bit[3:0]：包含生产厂商定义的处理器版本型号。

bit[15:4]：生产厂商定义的产品主编号，可能的取值为0x0～0x7。

bit[19:16]：ARM体系的版本号，可能的取值如表15.3（其他值由ARM公司保留将来使用）所示。

图15.2  ARM7之后处理器标识符编码

表15.3 bit[19:16]与ARM版本号

bit[23:20]：生产厂商定义的产品子编号。当产品主编号相同时，使用子编号区分不同的产品子类，如产品中不同的cache的大小。

bit[31:24]：生产厂商的编号现已定义的如表15.4所示。其他的值ARM公司保留将来使用。

表15.4 bit[31:24]值与ARM生产厂商

对于ARM7系统的处理器，其主标识符的编码如图15.3所示。

图15.3  ARM7处理器标识符编码

其中各部分的含义说明如下。

bit[3:0]：包含生产厂商定义的处理器版本型号。

bit[15:4]：生产厂商定义的产品主编号，其最高4位的值为0x7。

bit[22:16]：生产商定义的产品子编号。当产品的主编号相同时，使用子编号区分不同的产品子类，如产品中不同的产品子类、不同产品中高速缓存的大小。

bit[23]：ARM7处理器支持下面两种ARM体系的版本号。0x0代表ARM体系版本3；0x1代表ARM体系版本4T。

bit[31:24]：生产厂商的编号已定义的如表15.5所示，其他的值ARM公司保留将来使用。

表15.5 bit[31:24]值与ARM生产厂商

对于ARM7系统的处理器，其主标识符的编码如图15.4所示。

图15.4  ARM7之前处理器标识符编码

其中各部分的含义说明如下。

bit[3:0]：包含生产厂商定义的处理器版本型号。

bit[31:4]：处理器标识符及其含义如表15.6所示。

表15.6 ARM之后处理器标识符与含义

（2）Cache类型标识符寄存器

如前所述，对于指令MRC来说，当协处理器寄存器为r0，而第二操作数opcode2为0b001时，指令读取值为Cache类型，即可以用下面的指令将处理器的Cache类型标识符寄存器的内容读取到寄存器r0中。

MRC  P15，0，r0，c0，c0，1

Cache类型标识符定义了关于Cache的信息，具体内容如下所述。

·  系统中的数据Cache和指令Cache是分开的还是统一的。

·  Cache的容量、块大小以及相联特性。

·  Cache类型是直（write-through）写还是回写（write-back）。

·  对于回写（write-back）类型的Cache如何有效清除Cache内容。

·  Cache是否支持内容锁定。

Cache类型标识符寄存器各控制字段的含义编码格式如图15.5所示。

图15.5  Cache属性寄存器标识符编码格式

其中各控制字段的含义说明如下。

属性字段（ctype）：指定没有在S位、数据Cache相关属性位、指令Cache相关属性类中指定的属性，其具体编码参见表15.7。

表15.7 Cache类型标识符寄存器属性字段含义

S位：定义系统中的数据Cache和指令Cache是分开的还是统一的。如果S=0，说明指令Cache和数据Cache是统一的，如果S=1，则说明数据Cache和指令Cache是分离的。

数据Cache相关属性：定义了数据Cache容量、行大小和相联（associativity）特性（如果S≠0）。

指令Cache相关属性：定义了指令Cache容量、行大小和相联（associativity）特性（如果S≠0）。

数据Cache相关属性和指令Cache相关属性分别占用控制字段[23:12]和[11:0]，它们的结构相同，图15.6以指令Cache为例，显示了编码结构。

图15.6  指令Cache编码结构

其中，各部分的含义说明如下。

bit[11:9]：保留用于将来使用。

bit[8:6]：定义Cache的容量，其编码格式及含义如表15.8所示。

表15.8 类型标识符寄存器控制字段bit[8:6]含义

续表

bit[1:0]：定义Cache的块大小，其编码格式及含义如表15.9所示。

表15.9 类型标识符寄存器控制字段bit[1:0]含义

bit[5:3]：定义了Cache的相联属性，其编码格式及含义如表15.10所示。

表15.10 类型标识符寄存器控制字段bit[5:3]含义

15.1.4  寄存器c1

CP15中的寄存器c1包括以下控制功能：

·  禁止/使能MMU以及其他与存储系统有关的功能；

·  配置存储系统以及ARM处理器中相关的工作。

当对寄存器c1进行读操作时，指令中CRm和opcode2的值将被处理器忽略，所以要人工将其置位为0。

例15.2用MRC/MCR指令将协处理器寄存器c1的值进行读取和写入。

【例15.2】

MRC  P15，0，r0，c1，0，0   ;将寄存器c1的值读取到ARM寄存器r0中

MCR  P15，0，r0，c1，0，0   ;将ARM寄存器r0的值写入寄存器c1

图15.7显示了寄存器c1的编码格式。

图15.7  寄存器c1编码格式

寄存器c1各控制字段的含义如表15.11所示。

表15.11 寄存器c1中各控制位字段的含义

续表