ARM体系结构与编程学习（七）
第五章 ARM存储系统
5.1 arm存储系统概述
mmu 使用内存映射机制实现虚拟空间到物理空间的映射。通常嵌入式系统的程序放在ROM/FLASH中，这样系统断电后程序能够保存。但是
通常ROM/FLASH与SDRAM相比，速度要慢很多，而且嵌入式系统中通常把异常中断向量表放在RAM，利用内存映射机制可以解决这
种问题。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。当这些程序处理完成后将SDRAM映射为地址0
并把系统程序加载到SDRAM中运行。
5.2 arm中用于存储管理的协处理器CP15
arm存储系统通常是通过系统控制协处理器CP15完成的。
CP15
CP15可以包含16个32位的寄存器，其编号为0到15.实际上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。以下将详细介绍CP15中的寄存器：
1、寄存器的访问类型（只读/只写/可读可写）
2、各种指令操作对于寄存器的作用
3、寄存器是否对应多个物理寄存器
4、寄存器的具体作用
5.2.1 CP15中的寄存器
访问CP15寄存器的指令
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。
|
说 明 |
语法格式 |
|
|
mcr |
将ARM处理器的寄存器中的数据写到CP15中的寄存器中 |
mcr{<cond>} p15, <opcode_1>, <rd>, <crn>, <crm>, {<opcode_2>} |
|
mrc |
将CP15中的寄存器中的数据读到ARM处理器的寄存器中 |
mcr{<cond>} p15, <opcode_1>, <rd>, <crn>, <crm>, {<opcode_2>} |
4.1.2 CP15寄存器介绍
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的寄存器C0
CP15中寄存器C0对应两个标识符寄存器，由访问CP15中的寄存器指令中的<opcode_2>指定要访问哪个具体物理寄存器，<opcode_2>与两个标识符寄存器的对应关系如下所示：
|
opcode_2编码 |
对应的标识符号寄存器 |
|
0b000 |
主标识符寄存器 |
|
0b001 |
cache类型标识符寄存器 |
|
其他 |
保留 |
1）主标识符寄存器
访问主标识符寄存器的指令格式如下所示：
mrc p15, 0, r0, c0, c0, 0 ；将主标识符寄存器C0,0的值读到r0中
ARM不同版本体系处理器中主标识符寄存器的编码格式说明如下。
ARM7之后处理器的主标识符寄存器编码格式如下所示：
|
31 24 23 20 19 16 15 4 3 0 |
||||
|
由生产商确定 |
产品子编号 |
ARM体系版本号 |
产品主编号 |
处理器版本号 |
|
位 |
说 明 |
|
位[3: 0] |
生产商定义的处理器版本号 |
|
位[15: 4] |
生产商定义的产品主编号，其中最高4位即位[15:12]可能的取值为0~7但不能是0或7 |
|
位[19: 16] |
ARM体系的版本号，可能的取值如下： |
|
位[23: 20] |
生产商定义的产品子编号，当产品主编号相同时，使用子编号来区分不同的产品子类，如产品中不同的高速缓存的大小等 |
|
位[31: 24] |
生产厂商的编号，现在已经定义的有以下值： |
ARM7处理器的主标识符寄存器编码格式如下所示：
|
31 24 23 22 16 15 4 3 0 |
||||
|
由生产商确定 |
A |
产品子编号 |
产品主编号 |
处理器版本号 |
|
位 |
说 明 |
|
位[3: 0] |
生产商定义的处理器版本号 |
|
位[15: 4] |
生产商定义的产品主编号，其中最高4位即位[15:12]的值为0x7 |
|
位[22: 16] |
生产商定义的产品子编号，当产品主编号相同时，使用子编号来区分不同的产品子类，如产品中不同的高速缓存的大小等 |
续表
|
位 |
说 明 |
|
位[23] |
ARM7支持下面两种ARM体系的版本号： |
|
位[31: 24] |
生产厂商的编号，现在已经定义的有以下值： |
ARM7之前处理器的主标识符寄存器编码格式如下所示：
|
31 24 23 22 16 15 4 3 0 |
||||
|
由生产商确定 |
A |
产品子编号 |
产品主编号 |
处理器版本号 |
|
位 |
说 明 |
|
位[3: 0] |
生产商定义的处理器版本号 |
|
位[15: 4] |
生产商定义的产品主编号，其中最高4位即为[15:12]的值为0x7 |
|
位[22: 16] |
生产商定义的产品子编号，当产品主编号相同时，使用子编号来区分不同的产品子类，如产品中不同的高速缓存的大小等 |
|
位[23] |
ARM7支持下面两种ARM体系的版本号： |
|
位[31: 24] |
生产厂商的编号，现在已经定义的有以下值： |
2）cache类型标识符寄存器
访问cache类型标识符寄存器的指令格式如下所示：
mrc p15, 0, r0, c0, c0, 1 ；将cache类型标识符寄存器C0,1的值读到r0中
ARM处理器中cache类型标识符寄存器的编码格式如下所示：
|
31 29 28 25 24 23 12 11 0 |
||||
|
0 0 0 |
属性字段 |
S |
数据cache相关属性 |
指令cache相关属性 |
|
位 |
说明 |
|
位[28: 25] |
指定控制字段位[24: 0]指定的属性之外的cache的其他属性，详见表4-2 |
|
位[24] |
定义系统中的数据cache和指令cache是分开的还是统一的： |
|
位[23: 12] |
定义数据cache的相关属性，如果位[24]为0，本字段定义整个cache的属性 |
|
位[31: 24] |
定义指令cache的相关属性，如果位[24]为0，本字段定义整个cache的属性 |
其中控制字段位[28：25]的含义说明如下：
表4-2 cache类型标识符寄存器的控制字段位[28：25]
|
编 码 |
cache类型 |
cache内容清除方法 |
cache内容锁定方法 |
|
0b0000 |
写通类型 |
不需要内容清除 |
不支持内容锁定 |
|
0b0001 |
写回类型 |
数据块读取 |
不支持内容锁定 |
|
0b0010 |
写回类型 |
由寄存器C7定义 |
不支持内容锁定 |
|
0b0110 |
写回类型 |
由寄存器C7定义 |
支持格式A |
|
0b0111 |
写回类型 |
由寄存器C7定义 |
支持格式B |
控制字段位[23：12]和控制字段位[11：0]的编码格式相同，含义如下所示：
|
11 9 8 6 5 3 2 1 0 |
||||
|
0 0 0 |
cache容量 |
cache相联特性 |
M |
块大小 |
cache容量字段bits[8: 6]的含义如下所示：
|
编 码 |
M=0时含义（单位KB） |
M=1时含义（单位KB） |
|
0b000 |
0.5 |
0.75 |
|
0b001 |
1 |
1.5 |
|
0b010 |
2 |
3 |
|
0b011 |
4 |
6 |
|
0b100 |
8 |
12 |
|
0b101 |
16 |
24 |
|
0b110 |
32 |
48 |
|
0b111 |
64 |
96 |
cache相联特性字段bits[5: 3]的含义如下所示：
|
编 码 |
M=0时含义 |
M=1时含义 |
|
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 |
|
0b100 |
16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 |
cache块大小字段bits[1: 0]的含义如下所示：
|
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） |
· CP15的寄存器C1
访问主标识符寄存器的指令格式如下所示：
mrc p15, 0, r0, c1, c0{, 0} ；将CP15的寄存器C1的值读到r0中
mcr p15, 0, r0, c1, c0{, 0} ；将r0的值写到CP15的寄存器C1中
CP15中的寄存器C1的编码格式及含义说明如下：
|
31 16 |
15 |
14 |
13 |
12 |
11 |
10 |
9 |
8 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
|
附加 |
L4 |
RR |
V |
I |
Z |
F |
R |
S |
B |
L |
D |
P |
W |
C |
A |
M |
|
位 |
说 明 |
|
M |
0：禁止MMU或者PU；1：使能MMU或者PU |
|
A |
0：禁止地址对齐检查；1：使能地址对齐检查 |
|
C |
0：禁止数据/整个cache；1：使能数据/整个cache |
|
W |
0：禁止写缓冲；1：使能写缓冲 |
|
P |
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 |
|
D |
0：禁止26位地址异常检查；1：使能26位地址异常检查 |
|
L |
0：选择早期中止模型；1：选择后期中止模型 |
|
B |
0：little endian；1：big endian |
|
S |
在基于MMU的存储系统中，本位用作系统保护 |
|
R |
在基于MMU的存储系统中，本位用作ROM保护 |
|
F |
0：由生产商定义 |
|
Z |
0：禁止跳转预测功能；1：使能跳转预测指令 |
|
I |
0：禁止指令cache；1：使能指令cache |
|
V |
0：选择低端异常中断向量0x0~0x1c；1：选择高端异常中断向量0xffff0000~ 0xffff001c |
|
RR |
0：常规的cache淘汰算法，如随机淘汰；1：预测性淘汰算法，如round-robin淘汰算法 |
|
L4 |
0：保持ARMv5以上版本的正常功能；1：将ARMv5以上版本与以前版本处理器兼容，不根据跳转地址的bit[0]进行ARM指令和Thumb状态切换：bit[0]等于0表示ARM指令，等于1表示Thumb指令 |
|
附加： |
· CP15的寄存器C2
CP15中的寄存器C2保存的是页表的基地址，即一级映射描述符表的基地址。其编码格如下所示：
|
31 0 |
|
一级映射描述符表的基地址（物理地址） |
· CP15的寄存器C3
CP15中的寄存器C3定义了ARM处理器的16个域的访问权限。
|
31 0 |
|||||||||||||||
|
D15 |
D14 |
D13 |
D12 |
D11 |
D10 |
D9 |
D8 |
D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
· CP15的寄存器C5
CP15中的寄存器C5是失效状态寄存器，编码格式如下所示：
|
31 9 8 7 4 3 0 |
|||
|
UNP/SBZP |
0 |
域标识 |
状态标识 |
其中，域标识bit[7：4]表示存放引起存储访问失效的存储访问所属的域。
状态标识bit[3：0]表示放引起存储访问失效的存储访问类型，该字段含义如表4-3所示（优先级由上到下递减）。
表4-3 状态标识字段含义
|
引起访问失效的原因 |
状态标识 |
域标识 |
C6 |
|
终端异常（Terminal Exception） |
0b0010 |
无效 |
生产商定义 |
|
中断向量访问异常（Vector Exception） |
0b0000 |
无效 |
有效 |
|
地址对齐 |
0b00x1 |
无效 |
有效 |
|
一级页表访问失效 |
0b1100 |
无效 |
有效 |
|
二级页表访问失效 |
0b1110 |
有效 |
有效 |
|
基于段的地址变换失效 |
0b0101 |
无效 |
有效 |
|
基于页的地址变换失效 |
0b0111 |
有效 |
有效 |
|
基于段的存储访问中域控制失效 |
0b1001 |
有效 |
有效 |
|
基于页的存储访问中域控制失效 |
0b1101 |
有效 |
有效 |
|
基于段的存储访问中访问权限控制失效 |
0b1111 |
有效 |
有效 |
|
基于页的存储访问中访问权限控制失效 |
0b0100 |
有效 |
有效 |
|
基于段的cache预取时外部存储系统失效 |
0b0110 |
有效 |
有效 |
|
基于页的cache预取时外部存储系统失效 |
0b1000 |
有效 |
有效 |
|
基于段的非cache预取时外部存储系统失效 |
0b1010 |
有效 |
有效 |
· CP15中的寄存器C6
CP15中的寄存器C5是失效地址寄存器，编码格式如下所示：
|
31 0 |
|
失效地址（虚拟地址） |
· CP15中的寄存器C7
CP15的C7寄存器用来控制cache和写缓存，它是一个只写寄存器，读操作将产生不可预知的后果。
访问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>的不同取值组合 实现不同功能
· CP15中的寄存器C8
CP15的C8寄存器用来控制清除TLB的内容，是只写寄存器，读操作将产生不可预知的后果。
访问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>的不同取值组合实现不同功能，见第4.2节
· CP15中的寄存器C9
CP15的C9寄存器用于控制cache内容锁定。
访问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>
如果系统中包含独立的指令cache和数据cache，那么对应于数据cache和指令cache分别有一个独立的cache内容锁定寄存器，<opcode_2>用来选择其中的某个寄存器：
<opcode_2>=1选择指令cache的内容锁定寄存器；
<opcode_2>=0选择数据cache的内容锁定寄存器。
CP15的C9寄存器有A、B两种编码格式。编码格式A如下所示：
|
31 32-W 31-W 0 |
|
|
cache组内块序号index |
0 |
其中index表示当下一次发生cache未命中时，将预取的存储块存入cache中该块对应的组中序号为index的cache块中。此时序号为0~index-1的cache块被锁定，当发生cache替换时，从序号为index到ASSOCIATIVITY的块中选择被替换的块。
编码格式B如下所示：
|
31 30 W W-1 0 |
||
|
L |
0 |
cache组内块序号index |
|
位 |
说 明 |
|
L=0 |
当发生cache未命中时，将预取的存储块存入cache中该块对应的组中序号为index的cache块中 |
续表
|
位 |
说 明 |
|
L=1 |
如果本次写操作之前L=0，并且index值小于本次写入的index，本次写操作执行的结果不可预知；否则，这时被锁定的cache块包括序号为0~index-1的块，当发生cache替换时，从序号为index到ASSOCIATIVITY的块中选择被替换的块 |
· CP15的寄存器C10
CP15的C10寄存器用于控制TLB内容锁定。
访问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>
如果系统中包含独立的指令TLB和数据TLB，那么对应于数据TLB和指令TLB分别有一个独立的TLB内容锁定寄存器，<opcode_2>用来选择其中的某个寄存器：
<opcode_2>=1选择指令TLB的内容锁定寄存器；
<opcode_2>=0选择数据TLB的内容锁定寄存器。
C10寄存器的编码格式如下：
|
31 30 32-W 31-W 32-2W 31-2W 1 0 |
|||
|
可被替换的条目起始地址的base |
下一个将被替换的条目地址victim |
0 |
P |
|
位 |
说 明 |
|
victim |
指定下一次TLB没有命中（所需的地址变换条目没有包含在TLB中）时，从内存页表中读取所需的地址变换条目，并把该地址变换条目保存在TLB中地址victim处 |
|
base |
指定TLB替换时，所使用的地址范围，从（base）到（TLB中条目数-1）；字段victim的值应该包含在该范围内 |
|
P |
1：写入TLB的地址变换条目不会受使整个TLB无效操作的影响，一直保持有效；0：写入TLB的地址变换条目将会受到使整个TLB无效操作的影响 |
· CP15的寄存器C13
C13寄存器用于快速上下文切换FCSE。
访问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寄存器的编码格式如下所示：
|
31 25 24 0 |
|
|
PID |
0 |
其中，PID表示当前进程的所在的进程空间块的编号，即当前进程的进程标识符，取值为0~127。
0：MVA（变换后的虚拟地址）= VA（虚拟地址），禁止FCSE（快速上下文切换技术），系统复位后PID=0；
非0：使能FCSE。
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