ARM学习之协处理(disable cache,mmu)

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ARM 微处理器可支持多达 16 个协处理器,用于各种协处理操作,在程序执行的过程中,每个协处理器只执行针对自身的协处理指令,忽略 ARM 处理器和其他协处理器的指令。ARM 的协处理器指令主要用于 ARM 处理器初始化 ARM 协处理器的数据处理操作,以及在ARM 处理器的寄存器和协处理器的寄存器之间传送数据,和在 ARM 协处理器的寄存器和存储器之间传送数据。 ARM 协处理器指令包括以下 5 条:

— CDP 协处理器数操作指令

— LDC 协处理器数据加载指令

— STC 协处理器数据存储指令

— MCR ARM 处理器寄存器到协处理器寄存器的数据传送指令

— MRC 协处理器寄存器到ARM 处理器寄存器的数据传送指令

1、CDP 指令

CDP 指令的格式为:

CDP{条件} 协处理器编码,协处理器操作码1,目的寄存器,源寄存器1,源寄存器2,协处理 器操作码2。 CDP 指令用于ARM 处理器通知ARM 协处理器执行特定的操作,若协处理器不能成功完成特定的操作,则产生未定义指令异常。其中协处理器操作码1 和协处理器操作码2 为协处理器将要执行的操作,目的寄存器和源寄存器均为协处理器的寄存器,指令不涉及ARM 处理器的寄存器和存储器。

指令示例:

CDP P3 , 2 , C12 , C10 , C3 , 4 ;该指令完成协处理器 P3 的初始化

2、LDC 指令

LDC 指令的格式为:

LDC{条件}{L} 协处理器编码,目的寄存器,[源寄存器]

LDC 指令用于将源寄存器所指向的存储器中的字数据传送到目的寄存器中,若协处理器不能成功完成传送操作,则产生未定义指令异常。其中,{L}选项表示指令为长读取操作,如用于双精度数据的传输。

指令示例:

LDC P3 , C4 , [R0] ;将 ARM 处理器的寄存器 R0 所指向的存储器中的字数据传送到协处理器 P3 的寄存器 C4 中。

3、STC 指令

STC 指令的格式为:

 

STC{条件}{L} 协处理器编码,源寄存器,[目的寄存器]

STC 指令用于将源寄存器中的字数据传送到目的寄存器所指向的存储器中,若协处理器不能成功完成传送操作,则产生未定义指令异常。其中,{L}选项表示指令为长读取操作,如用于双精度数据的传输。

指令示例:

STC P3 , C4 , [R0] ;将协处理器 P3 的寄存器 C4 中的字数据传送到 ARM 处理器的寄存器R0 所指向的存储器中。

 

4、MCR 指令

MCR 指令的格式为:

MCR{条件} 协处理器编码,协处理器操作码1,源寄存器,目的寄存器1,目的寄存器2,协处理器操作码2。

 

MCR 指令用于将ARM 处理器寄存器中的数据传送到协处理器寄存器中,若协处理器不能成功完成操作,则产生未定义指令异常。其中协处理器操作码1 和协处理器操作码2 为协处理器将要执行的操作,源寄存器为ARM 处理器的寄存器,目的寄存器1 和目的寄存器2 均为协处理器的寄存器。

 

指令示例:

 

MCR P3,3,R0,C4,C5,6;该指令将 ARM 处理器寄存器 R0 中的数据传送到协处理器 P3 的寄存器 C4 和 C5 中。

 

5、MRC 指令

 

MRC 指令的格式为:

 

MRC{条件} 协处理器编码,协处理器操作码1,目的寄存器,源寄存器1,源寄存器2,协处理器操作码2。

 

MRC 指令用于将协处理器寄存器中的数据传送到ARM 处理器寄存器中,若协处理器不能成功完成操作,则产生未定义指令异常。其中协处理器操作码1 和协处理器操作码2 为协处理器将要执行的操作,目的寄存器为ARM 处理器的寄存器,源寄存器1 和源寄存器2 均为协处理器的寄存器。

 

指令示例:

 

MRC P3,3,R0,C4,C5,6;该指令将协处理器 P3 的寄存器中的数据传送到 ARM 处理器寄存器中.

 

CP15寄存器:

访问CP15寄存器指令的编码格式及语法说明如下:

31  28

27  24

23  21

20

19  16

15  12

11  8

7  5

4

3  0

cond

1 1 1 0

opcode_1

L

cr n

rd

1 1 1 1

opcode_2

1

crm

说明:

<opcode_1>:协处理器行为操作码,对于CP15来说,<opcode_1>永远为0b000,否则结果未知。

<rd>:不能是r15/pc,否则,结果未知。

<crn>:作为目标寄存器的协处理器寄存器,编号为C0~C15。

<crm>: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>:提供附加信息比如寄存器的版本号或者访问类型,用于区分同一个编号的不同物理寄存器,可以省略<opcode_2>或者将其设置为0,否则结果未知。

CP15的寄存器列表如表4-1所示。

表4-1  ARM处理器中CP15协处理器的寄存器

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

CP15 中的寄存器 C7 用于控制 cache 和写缓冲区。它是一个只写的寄存器,使用 MCR 指令
      来写该寄存器,具体格式如下:

          MCR P15, 0, <Rd>, <c7>, <CRm>, <opcode_2>

      其中, <Rd> 中为将写入 C7 中的数据; <CRm>, <opcode_2> 的不同组合决定执行不同的操作:

      ----------------------------------------------------------------------------------
      <CRm>        <opcode_2>        含义                                   数据
      ----------------------------------------------------------------------------------
      C0           4                 等待中断激活                              0
      C5           0                 使用无效整个Cache                     0
      C5           1                 使无效指令Cache 中的某块           虚地址
      C5           2                 使无效指令Cache 中的某块           组号/组内序号
      C5           4                 清空预取缓冲区                          0
      C5           6                 清空整个跳转目标Cache                0
      C5           7                 清空跳转目标Cache中的某块        生产商定义
      C6           0                 使无效整个数据Cache                    0
      C6           1                 使无效数据Cache 中的某块           虚地址
      C6           2                 使无效数据Cache 中的某块           组号/组内序号
      C7           0                 使数据Cache 和指令Cache 无效    0
      C7           1                 使无效整个Cache 中的某块           虚地址
      C7           2                 使无效整个Cache 中的某块           组号/组内序号
      C8           2                 等待中断激活                                  0
      C10          1                 清空数据Cache 中某块                  虚地址
      C10          2                 清空数据Cache 中某块                  组号/组内序号
      C10          4                 清空写缓冲区                                 0
      C11          1                 清空整个Caceh 中某块                  虚地址
      C11          2                 清空整个Caceh 中某块                  组号/组内序号
      C13          1                 预取指令Cache 中某块                  虚地址
      C14          1                 清空并使无效数据Cache中某块   虚地址
      C14          2                 清空并使无效数据Cache中某块   组号/组内序号
      C15          1                 清空并使无效整个Cache中某块   虚地址
      C15          2                 清空并使无效整个Cache中某块   组号/组内序号
      ----------------------------------------------------------------------------------

MCR P15, 0, <Rd>, <C8>, <CRm>, <opcode_2>

    其中 <Rd> 中为将写入 C8中的数据; <CRm>, <opcode_2> 的不同组合决定指令执行不同的操作
    
      ----------------------------------------------------------------------------------
      指令                           <opcode_2>   <CRm>   <Rd>    含义
      ----------------------------------------------------------------------------------
      MCR P15,0,Rd,C8,C7,0  0b0000     0b0111   0            DCache,ICache 无效   
      MCR P15,0,Rd,C8,C7,1  0b0000     0b0111   虚地址  整个Cache 中单个地址变换条目无效
      MCR P15,0,Rd,C8,C5,0  0b0000     0b0101   0            整个Cache无效
      MCR P15,0,Rd,C8,C5,1  0b0000     0b0101   虚地址  指令Cache 中单个地址变换条目无效
      MCR P15,0,Rd,C8,C6,0  0b0000     0b0110   0            整个数据Cache无效
      MCR P15,0,Rd,C8,C6,1  0b0000     0b0110   虚地址  数据Cache 中单个地址变换条目无效

那么,系统为什么要关闭mmu和cache呢?

Caches是CPU内部的一个2级缓存,它的作用是将常用的数据和指令放在CPU内部。Caches是通过CP15管理的,刚上电的时候,CPU还不能管理Caches。上电的时候指令Cache可关闭,也可不关闭,但数据Cache一定要关闭,否则可能导致刚开始的代码里面,去取数据的时候,从Cache里面取,而这时候RAM中数据还没有Cache过来,导致数据预取异常

bootloader阶段不需要地址映射,映射了毫无意义,而且会使系统效率降低,所以需要关闭MMU.