［转］ ARM处理器中CP15协处理器的寄存器

转自：http://blog.mcuol.com/User/emblinux/article/13766_1.htm

 

4.1 ARM处理器中CP15协处理器的寄存器13766 98090

2009-6-18 18:22:34    收藏  |  打印  | 投票(51)  |  评论(6)  |  阅读(69992)  ◇字体：［大  中  小 ］

本章和第 5 章的内容都与 ARM 处理器中 CP15 协处理器的寄存器有密切关系，所以我们这里先介绍一下 CP15 寄存器以及访问 CP15 寄存器的汇编指令。

4.1.1   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：

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

：不能是 r15/pc ，否则，结果未知。

：作为目标寄存器的协处理器寄存器，编号为 C0~C15 。

：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。

：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 或 者将其设置为 0 ， 否则结果未知。

指     令	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{}   p15, , , , , {}
mrc	将 CP15 中的寄存器中的数据读到 ARM 处理器的寄存器中	mcr{}   p15, , , , , {}

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 指定要访问哪个具体物理寄存器， 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： 0x1   ARM 体系版本 4 0x2   ARM 体系版本 4T 0x3   ARM 体系版本 5 0x4   ARM 体系版本 5T 0x5   ARM 体系版本 5TE 其他   由 ARM 公司保留将来使用
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： 0x41  =A  ARM 公司 0x44  =D  Digital Equipment 公司 0x69  =I   intel 公司

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： 0x0   ARM 体系版本 3 0x1   ARM 体系版本 4T
位 [31: 24]	生产厂商的编号，现在已经定义的有以下值： 0x41  =A  ARM 公司 0x44  =D  Digital Equipment 公司 0x69  =I   Intel 公司

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： 0x0   ARM 体系版本 3 0x1   ARM 体系版本 4T
位 [31: 24]	生产厂商的编号，现在已经定义的有以下值： 0x41  =A  ARM 公司 0x44  =D  Digital Equipment 公司 0x69  =I   intel 公司

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： 0   系统的数据 cache 和指令 cache 是统一的； 1    系统的数据 cache 和指令 cache 是分开的
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, , , crm, ； 、 和 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, , , crm, ； 、 和 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

C P15 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, , , c0,

mrc p15, 0, , , c0,

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， 用来选择其中的某个寄存器：

=1 选择指令 cache 的内容锁定寄存器；

=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, , , c0,

mrc p15, 0, , , c0,

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， 用来选择其中的某个寄存器：

=1 选择指令 TLB 的内容锁定寄存器；

=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, , , c0, 0

mrc p15, 0, , , 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 。