2021年09月22日 | ARM体系架构—ARMv7-A协处理器

一、ARMv7-A协处理器

ARM体系架构支持协处理器，用于扩展ARM处理器功能。协处理器指令用于访问协处理器。协处理器支持16个协处理器，编号0-15，使用CP0-CP15（Coprocessor）描述。

CP0-CP15协处理器的基本功能如下：

CP15：提供系统控制功能。包括架构和特性ID，以及控制，状态信息和配置支持。

CP14：提供硬件Debug功能。

CP10，CP11：共同支持浮点运算和向量操作。控制和配置浮点和高级SIMD扩展架构。

CP8,9,12,13：为ARM架构保留协处理器。

CP0-7：由厂家定义协处理功能。

二、CP15协处理器

CP15协处理器称之为系统控制协处理器，被用于控制和配置ARM处理器系统。其主要功能在于对系统内存的控制，包括cache，页表，TLB（Translation Lookaside Buffer），MMU（Memory Management Unit）等组件的控制。

除了对系统内存的控制外，CP15处理器还负责控制CP0-CP13的访问。CP0-CP13对于ARMv7-A架构可能是可选特性，其中CP10-CP11用于支持浮点运算指令，而CP0-CP7的实现由厂家定义。

2.1、CP15协处理器寄存器

CP15寄存器的实现和ARM体系架构的实现强相关：

ARMv7-A实现VMSA (Virtual Memory System Architecture)，支持虚拟地址，使用MMU（Memory Management Unit）管理地址空间；

ARMv7-R实现PMSA (Protected Memory System Architecture)，支持虚拟地址，使用MPU（Memory Protection Unit）管理地址空间；

本文只关心ARMv7-A架构。

CP15提供了16个32位主寄存器，命名为c0-c15。c0-c15寄存器可能对应多个不同的物理寄存器，常见的寄存器见下表。

2.2、CP15协处理器寄存器组织

CP15协处理器保护c0-c15共16个寄存器，寄存器32位的组织形式如下：

CRn,opc1,CRm,opc2

CRn：第一个协处理器寄存器；

opc1：协处理器操作码；

CRm：第二个协处理器寄存器；

opc2：协处理器操作码。

寄存器64位的组织形式如下：

CRm,opc1

opc1：协处理器操作码；

CRm：协处理器寄存器；

各字段的具体取值如下图所示。以c0寄存器为例，第一个协处理器寄存器CRn为c0，协处理器操作码opc1取值为[0-2]，第二个协处理器寄存器CRm为c0-c7，协处理器操作码opc2取值为[0-7]。

c0：ID寄存器；

c1：系统控制寄存器；

c2，c3：内存保护及控制寄存器；

c4：未用；

c5，c6：内存fault寄存器；

c7：cache寄存器；

c8：TLB寄存器；

c9：性能监控寄存器；

c10：内存映射寄存器；

c11：TCM DMA访问寄存器；

c12：安全扩展寄存器；

c13：上下文寄存器；

c14：通用时钟寄存器；

c15：IMPLEMENTATION DEFINED；

2.3、c0-c15寄存器具体组织

c0寄存器的具体组织形式如下图， {CRn, opc1, CRm, opc2}值不同对应了c0中不同的寄存器。

c1寄存器的具体组织形式如下图。

c2，c3寄存器的具体组织形式如下图，含64位组织。

32位组织形式：

64位组织形式：

c5，c6寄存器的具体组织形式如下图。

c7寄存器的具体组织形式如下图。

c8寄存器的具体组织形式如下图。

c9寄存器的具体组织形式如下图。

c10寄存器的具体组织形式如下图。

c11寄存器的具体组织形式如下图。

c12寄存器的具体组织形式如下图。

c13寄存器的具体组织形式如下图。

c14寄存器的具体组织形式如下图。

2.4、虚拟内存控制寄存器组

CP15协处理器的重要功能在于内存控制，虚拟内存控制寄存器组包含了页表转换基址寄存器和页表转换控制寄存器等重要的寄存器。

虚拟内存控制寄存器其组如下表所示。

其中 AMAIR0,AMAIR1,TTBR0-64bbit,TTBR1-64bit用于LPAE(Large Physical Address Extension)，启用LAPE的系统可以寻址40bit物理地址空间。

TTBCR是页表转换控制寄存器，可以控制系统使用哪个页表基址寄存器TTRB0或者TTRB1。TTRB0或者TTRB1用于记录一级页表转换的基址。

TTBCR分为长描述符和段描述符两种形式，长描述符用于开启LPAE的情况，短描述符用于32bit地址空间页表转换控制。

TTBCR寄存器短描述格式如下。

EAE[31]：地址扩展使能。值为0表示32bit物理地址空间寻址，TTBCR寄存器为短描述符格式；值为1表示40bit物理地址空间寻址，TTBCR寄存器为长描述符格式。

N[2:0]：指示TTBR0页表基址寄存器基址位宽，同时指示使用TTBR0还是TTBR1作为页表基址寄存器，以及TTBR0页表尺寸。

TTBCR.N的详细作用如下表所示。

N==0，使用TTBR0。

N>0，如果虚拟地址[31:32-N]为0，则使用TTBR0；其他情况使用TTRB1。这种情况下，N指示了TTBR1的页表地址，也指示了TTBR0的页表大小。

TTRB0的页表大小由TTBCR.N控制，TTRB1的页表大小为16KB。

TTRB0寄存器的描述如下图所示。

Bits[31:x]：x=(14-(TTBCR.N))。一级页表地址；

Bits[x-1:7]：Reserved；

NOS：非外部共享，TTBR0.S == 0时，该bit无效；

S：共享位。指示内存共享属性与页表转换的关系；

RNG：Region bits，指示外部cache属性与页表转换的关系；

IRGN[6，0]：Inner region bits，指示内部cache属性与页表转换的关系；

TTRB1寄存器的描述如下图所示。只有高位bit不一样，TTRB1的[31:14]一级页表地址长度固定，而TTBR0的长度受TTBCR.N影响。

读写CP15中TTBCR,TTBR0,TTBR1寄存器的指令如下。

在Linux中用户空间页表映射基址寄存器使用TTBR0，内核空间页表映射基址寄存器使用TTBR1。在进程切换时，TTBR0内记录的页表基址要刷新成新进程的PGD，而TTBR1的页表基址无需刷新。

2.4、异常处理寄存器组

在实现虚拟化扩展的处理器上，异常上报分可能是处理器处于如下两种模式中的一种：

PL1特权模式，包括安全模式和非安全模式；

PL2特权模式（ Hyp模式），只有非安全模式。

异常信息寄存器，对于PL2特权模式存放在HSR（Hyp Syndrome Register）寄存器，对于PL1特权模式存放在FSR（ Fault Status Register）寄存器。

对于同步异常，异常返回地址存放在FAR（Fault Address Registers）寄存器。

异常信息寄存器和地址寄存器如下表所示。

DFSR：数据中止异常（Data Abort exception）信息；

DFAR：数据中止异常（Data Abort exception）地址；

IFSR：预取中止异常（Prefetch Abort exception）信息；

IFAR：预取中止异常（Prefetch Abort exception）地址；

AxFSR：ADFSR辅助数据异常状态寄存器，AIFSR辅助指令异常状态寄存器。

DFAR寄存器内容如下所示，记录了异常发生时的虚拟地址。

DFSR寄存器内容如下所示，记录了异常发生时的信息。

CM：异常原因是否由于操作cache导致；

WnR：异常原因是由于读指令或者写指令导致；

LAPE：大地址扩展位，指示短描述或长描述格式；

Domain：异常原因是Debug导致，或是访问权限导致；

2.6、cache寄存器组

cache寄存器组主要完成分支预测，chace刷新等功能。

2.7、TLB寄存器组

TLB(Translation-lookside buffer)是一个硬件单元，用于缓存虚拟地址到物理地址的映射关系。TLB寄存器组主要用于刷新TLB表项。

2.8、CPACR

CP15协处理器的c1寄存器CPACR（ Coprocessor Access Control Register）控制CP0-CP13的访问（在PL0和PL1特权模式下）。CPU上电初始化或者复位后，CP0-CP13是去使能的。

CPACR寄存器32bit分布情况。

ASEDIS[31]：去使能高低SIMD功能；

D32DIS[30]：去使能D16-D31浮点扩展寄存器；

[29]：Reserved；

TRCDIS[28]：去使能CP14 trace寄存器；

cpn[2n+1, 2n](n=[0,13])：访问CP0-CP13协处理器（PL0和PL特权模式）；

CPACR寄存器中cpn[2n+1, 2n](n=[0,13])，每个协处理器占用2bit，存在4中情况：

0b00：拒绝访问，任何对CPn的访问都会产生未定义指令异常；

0b01：仅PL1特权模式可以访问，在PL0模式下任何对CPn的访问都会产生未定义指令异常；

0b10：Reserved；

0b11：可以访问，PL0和PL1特权等级都可以访问CPn协处理器。

对CPSR寄存器的访问可以使用协处理器指令MRC和MCR。