五大ARM存储器之一：协处理器CP15

　　· 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。

　　注意TCM和SRAM在技术上相同，但在结构排列上不同；TCM在片上，而SRAM在板上。

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。

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。

　　注意通过协处理器访问指令CDP、LDC和STC指令对协处理器CP15进行访问将产生不可预知的结果。

　　其中，CDP为协处理器数据操作指令，这个指令初始化一些与协处理器相关的操作；

　　LDC为一个或多个字的协处理器数据读取指令，此指令从存储器读取数据到指定的协处理器中；

　　STC为一个或多个32位字的协处理器数据写入指令，此指令初始化一个协处理器的写操作，从给定的协处理器把数据传送到存储器中。

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。

　　注意r15不能作为ARM寄存器出现在MRC或MCR指令中，如果r15作为《Rd》出现在这里，那么指令的执行结果不可预知。

　　《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。

　　注意在用户模式下，如果要访问系统控制协处理器，通常的做法是由操作系统提供SWI软中断调用来完成系统模式的切换。由于不同型号的ARM处理器对此管理差别很大，所以建议用户在应用时将SWI作为一个独立的模块来管理并向上提供通用接口，以屏蔽不同型号处理器之间的差异。

　　例1给出了一个典型的利用SWI进行模式切换的例子。

【例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

1.2 CP15中的寄存器

　　表1给出了CP15主要寄存器的功能和作用。

　　表1 CP15寄存器

　对于ARM7系统的处理器，其主标识符的编码如图3所示。

　　图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5所示，其他的值ARM公司保留将来使用。

　　表5 bit［31:24］值与ARM生产厂商

　　可能的取值ARM芯片生产厂商

　　0x41（A）ARM公司

　　0x44（D）Digital Equipment

　　0x69（i）Intel公司

　　对于ARM7系统的处理器，其主标识符的编码如图4所示。

　　图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6所示。

　　表6 ARM之后处理器标识符与含义

　　处理器标识符含 义

　　0x4156030ARM3（体系版本2）

　　0x4156060ARM600（ARM体系版本3）

　　0x4156061ARM610（ARM体系版本3）

　　0x4156062ARM620（ARM体系版本3）

（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5所示。

　　图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7。

　　表7 Cache类型标识符寄存器属性字段含义

　　编 码  Cache类型  Cache内容清除方法  Cache内容锁定方法

　　0b0000   直写    不需要内容清除    不支持

　　0b0001   回写    数据块读取       不支持

　　0b0010   回写    由寄存器定义     不支持

　　0b0110   回写    由寄存器定义    支持格式A，见后

　　0b0111   回写    由寄存器定义    支持格式B，见后

　　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6以指令Cache为例，显示了编码结构。

　　图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8所示。

表8 类型标识符寄存器控制字段bit［8:6］含义

　　编 码   M=0时的含义   M=1时的含义

　　0b000   0.5KB       0.75KB

　　0b00   11KB        1.5KB

　　0b010  2KB        3KB

　　0b011  4KB        6KB

　　0b100   8KB       12KB

　　0b101  16KB       24KB

　　0b110  32KB       48KB

　　0b111  64KB       96KB

　　bit［1:0］：定义Cache的块大小，其编码格式及含义如表9所示。

表9 类型标识符寄存器控制字段bit［1:0］含义

　　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）

　bit［5:3］：定义了Cache的相联属性，其编码格式及含义如表10所示。

　　表10 类型标识符寄存器控制字段bit［5:3］含义

  编 码   M=0时的含义    M=1时的含义

  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

　　0b1001  6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

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。

　　注意在寄存器c1中包含了一些没有使用的位，这些位在将来可能被扩展其他功能时使用。因此为了编写代码在将来更高版本的ARM处理器中仍可以使用，在修改寄存器c1中的位时应该使用“读取－修改特定位－写入”的操作序列。

  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7显示了寄存器c1的编码格式。

　　图7 寄存器c1编码格式

　　寄存器c1各控制字段的含义如表11所示。

　　表11 寄存器c1中各控制位字段的含义

　　C1中的控制位含 义

　　M（bit［0］）禁止/使能MMU或者MPU

　　0：禁止MMU或者MPU

　　1：使能MMU或者MPU

　　如果系统中没有MMU或者MPU，读取时该位返回0，写入时忽略

　　A（bit［1］）对于可以选择是否支持内存访问时地址对齐检查的系统，本位禁止/使能地址对齐检查功能

　　0：禁止地址对齐检查功能

　　1：使能地址对齐检查功能

　　对寄存器进行写操作时，忽略该位

　　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Cache

　　1：使能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Cache不能禁止时，读取返回1，写入时忽略

　　W（bit［3］）禁止/使能写缓存

　　0：禁止写缓存

　　1：使能写缓存

　　如果系统中不含写缓存，读取时该位返回0，写入时忽略

　　当系统中的写缓存不能禁止时，读取时该位返回0，写入时忽略

　　P（bit［4］）对于向前兼容26位ARM处理器，本控制位控制PRGC32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

　　如果系统不支持向前兼容26位地址，读取该位时返回1，写入时被忽略

　　D（bit［5］）对于向前兼容26位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位地址异常检测

　　如果系统不支持向前兼容26位地址，读取该位时返回1，写入时被忽略

　　L（bit［6］）对于ARMv3及以前版本，本控制位可以控制处理器的中止模式

　　0：选择早期中止模式

　　1：选择后期中止模式

　　对于以后的处理器读取该位时返回1，写入时忽略

　　B（bit［7］）对于存储系统同时支持大/小端（big-endian/little-endian）的ARM处理器，该控制位配置系统使用哪种内存模式

　　0：使用小端（little-endian）

　　1：使用大端（big-endian）

　　对于只支持小端（little-endian）的系统，读取时该位返回0，写入时忽略

　　对于只支持大端（big-endian）的系统，读取时该位返回1，写入时忽略

　　S（bit［8］）支持MMU的存储系统中，本控制位用作系统保护

　　R（bit［9］）支持MMU的存储系统中，本控制位用作ROM保护

　　F（bit［10］）本控制位由生产厂商定义

　　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，读取时该位返回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，写入时忽略该位

　　当系统中的指令Cache不能禁止时，读取该位返回1，写入时忽略该位

　　V（bit［13］）支持高端异常向量表的系统中，本控制位控制向量表的位置

　　0：选择0x00000000～0x0000001c

　　1：选择0Xffff0000～0xffff001c

　　对于不支持高端中断向量表的系统，读取时返回0，写入时忽略

　　RR（bit［14］）如果系统中Cache的淘汰算法可以选择的话，本控制位选择淘汰算法

　　0：选择常规的淘汰算法，如随机淘汰算法

　　1：选择预测性的淘汰算法，如轮转（round-robin）淘汰算法

　　如果系统中淘汰算法不可选择，写入该位时被忽略，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1或者0

　　L4（bit［15］）ARM版本5及以上的版本中，本控制位可以提供兼容以前的ARM版本的功能

　　0：保持当前ARM版本的正常功能

　　1：对于一些根据跳转地址的bit［0］进行状态切换的指令，忽略bit［0］，不进行状态切换，保持和以前ARM版本兼容

　　此控制位可以影响以下指令：LDM、LDR和POP

　　对于ARM版本5以前的处理器，该位没有使用，应作为UNP/SBZP

　　对于ARM版本5以后的处理器，如果不支持向前兼容的属性，读取时该位返回0，写入时忽略

　　Bit（bit［31:16］）这些位保留将来使用，应为UNP/SBZP