2021年10月26日 | ARMv7-A 处理器窥探(2) —— CP15 协处理器

1、ARMv7-A 协处理器

ARMv7-A 处理器除了标准的 R0~R15，CPSR，SPSR 以外，由于引入了 MMU、TLB、Cache 等内容，ARMv7-A 使用协处理器来对这些扩展来进行管理，ARMv7-A 支持 16 个协处理器，编号从 CP0~CP15，其中的 CP15 协处理器称之为系统控制协处理器，CP15 协处理器下的寄存器包含了 MMU、TLB、Cache等关键组件，其余的 CP0~CP14 有的控制Debug功能，有的控制 SIMD，有的控制浮点，咱们暂时只关注关键的 CP15；

2、CP15 协处理器

2.1、组成

CP15 协处理器由16个子寄存器组成，分别为 c0~c15，所以 CP15 的层次关系为：

这里的 c0~c15 不是寄存器的含义，而是主(Primary Register)寄存器的意思，也就是每个 c0~c15 中，包含很多寄存器组：

比较常用的 c0~c15 的寄存器组织如下

所以，针对 CP15 协处理器相关的层次结构总结下来为（这里以c0为例，c1~c15同样有很多寄存器，每个寄存器都是 32bits 的）：

2.2、访问指令

与 CPSR 类似，协处理器的访问是通过指定的汇编指令进行访问；常用的有 MCR/MRC 两条：

MRC: 将 CP15 协处理器中的寄存器数据读到 ARM 寄存器中。

MCR: 将 ARM 寄存器的数据写入到 CP15 协处理器寄存器中。

使用这两条指令，外加一些标准的指令，就可以实现读改写；

2.2.1、MCR

MCR 指令的格式如下：

MCR , , , , {, }

其中：

coproc：访问协处理器的名字，取值范围从 p0~p15；

opc1：协处理器要执行的操作码，取值范围从 0~7；

Rt：ARM 的寄存器（比如 R0），要写入到指定协处理器寄存器的数据就保存在此寄存器中；

CRn：指定协处理器的目标寄存器；

CRm：协处理器中附加的目标寄存器或者源操作数寄存器，如果不需要附加信息就将 CRm 设置为 C0，否则结果不可预测；

opc2：可选的协处理器特定操作码，取值范围从 0~7，当不需要的时候要设置为 0；

2.2.2、MRC

MRC 指令的格式如下：

MRC , , , , {, }

其中：

coproc：访问协处理器的名字，取值范围从 p0~p15；

opc1：协处理器要执行的操作码，取值范围从 0~7；

Rt：ARM 的寄存器（比如 R0），将指定协处理器寄存器的数据读在此 ARM Core 寄存器中；

CRn：指定协处理器的目标寄存器；

CRm：协处理器中附加的目标寄存器或者源操作数寄存器，如果不需要附加信息就将 CRm 设置为 C0，否则结果不可预测；

opc2：可选的协处理器特定操作码，取值范围从 0~7，当不需要的时候要设置为 0；

访问协处理器寄存器的指令已经写得很清楚，接下来就是如何来填这指令中的变量，这涉及到具体的协处理器的寄存器组织，我们使用最常用的 CP15 为例进行讲述；

2.3、Cp15 协处理器寄存器组成

不管是 MCR/MRC 指令，如果针对到具体的 Cp15 协处理器，coproc 字段填 p15，Rt 字段可以随便指定，暂时不管，那么就剩下 4 个变量：

{opc1、CRn、CRm、opc2}；

Cp15 协处理器的所有寄存器访问，都要依赖这几个值的组合达到访问的目的，前面说过整个 Cp15 的寄存器，分为 c0~c15，一个 16 个 Primary Regiser，再在每个 Primary Regiser 下面，又细分了很多具体的每个长度为 32bits 的寄存器，他们的整体组织结构为：

可以看到，Cp15 协处理器的 CRn 编号从 c0~c15，每个 Primary Regiser 都标记得有访问权限；后面的 opc1、CRm、opc2 的取值访问也都标记得清清楚楚；

那么下面将 c0~c16 每个展开看一下便可以清清楚楚看到他们怎么组织起来的，这样就可以知道如何使用汇编进行编码配置；

2.3.0、Cp15-c0 寄存器组成

c0 的寄存器组成如下：

访问每个寄存器的 {opc1、CRn、CRm、opc2} 写的清清楚楚；

主要是和 ID 相关的内容；

2.3.1、Cp15-c1 寄存器组成

c1 的寄存器组成如下：

主要是和系统控制相关的配置；

2.3.2、Cp15-c2&c3 寄存器组成

c2&c3 的寄存器组成如下：

主要是内存保护和控制相关的（MMU）；

2.3.3、Cp15-c4 寄存器组成

Cp15 协处理器的 c4 寄存器为 Not used；

2.3.4、Cp15-c5&c6 寄存器组成

c5&c6 的寄存器组成如下：

主要是和 memory fault 相关的；

2.3.5、Cp15-c7 寄存器组成

c7 的寄存器组成如下：

主要是和 Cache 相关的部分；

2.3.6、Cp15-c8 寄存器组成

c8 的寄存器组成如下：

主要是和 TLB 相关的；

2.3.7、Cp15-c9 寄存器组成

c9 的寄存器是为 cache 和 TCM 预留的；

2.3.8、Cp15-c10 寄存器组成

c10 的寄存器是为内存重映射和 TLB 控制：

2.3.9、Cp15-c11 寄存器组成

c11 的寄存器是为 TCM DMA 预留：

2.3.10、Cp15-c12 寄存器组成

c12 的寄存器是为安全扩展的：

2.3.11、Cp15-c13 寄存器组成

c13 的寄存器是为进程，上下文和线程 ID 的：

2.3.12、Cp15-c14 寄存器组成

c14 的寄存器是为通用 Timer 预留的：

2.3.13、Cp15-c15 寄存器组成

c15 的寄存器是 IMPLEMENTATION DEFINED 的，不管他：