arm CP15协处理器.docx

1、arm CP15协处理器ARM CP15协处理器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 2827 2423 212019 1615 1211 87 543 0cond1 1 1 0opcode_1Lcr nrd1 1 1 1opcode_21crm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C0C15。：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

2、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0ID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

3、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C0CP15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0

4、b001cache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07但不能是0或7位19: 16ARM体系的版本号，可能的取值如下：0

5、x1 ARM体系版本40x2 ARM体系版本4T0x3 ARM体系版本50x4 ARM体系版本5T0x5 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

6、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23ARM7支持下面两种ARM体系的版本号：0x0 ARM体系版本30x1 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

7、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23ARM7支持下面两种ARM体系的版本号：0x0 ARM体系版本30x1 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

8、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 00 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

9、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A0b0111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

10、 8 6 5 3 2 1 00 0 0cache容量cache相联特性M块大小cache容量字段bits8: 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）0b0000.50.750b00111.50b010230b011460b1008120b10116240b11032480b1116496cache相联特性字段bits5: 3的含义如下所示：编 码M=0时含义M=1时含义0b0001路相联（直接映射）没有cache0b0012路相联3路相联0b0104路相联6路相联0b0118路相联12路相联0b10016路相联24路相联0b10132路相联48路相联0b110

11、64路相联96路相联0b111128路相联192路相联cache块大小字段bits1: 0的含义如下所示：编 码cache块大小0b002个字（8字节）0b014个字（16字节）0b108个字（32字节）0b1116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 161514131211109876543210附加L4RRVIZFRSB

12、LDPWCAM位说 明M0：禁止MMU或者PU；1：使能MMU或者PUA0：禁止地址对齐检查；1：使能地址对齐检查C0：禁止数据/整个cache；1：使能数据/整个cacheW0：禁止写缓冲；1：使能写缓冲P0：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D0：禁止26位地址异常检查；1：使能26位地址异常检查L0：选择早期中止模型；1：选择后期中止模型B0：little endian；1：big endianS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F0：由生产商定义Z0：禁止跳转预测功能；1：使能跳转预测指令I0

13、：禁止指令cache；1：使能指令cacheV0：选择低端异常中断向量0x00x1c；1：选择高端异常中断向量0xffff0000 0xffff001cRR0：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L40：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bit0进行ARM指令和Thumb状态切换：bit0等于0表示ARM指令，等于1表示Thumb指令附加： CP15的寄存器C2CP15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

14、址（物理地址） CP15的寄存器C3CP15中的寄存器C3定义了ARM处理器的16个域的访问权限。31 0D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0 CP15的寄存器C5CP15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 0UNP/SBZP0域标识状态标识其中，域标识bit7：4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bit3：0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 Excepti

15、on）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

16、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C6CP15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C7CP15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C8CP15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,

17、, , 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C9CP15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 0cache

18、组内块序号index0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0index-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 0L0cache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

19、；否则，这时被锁定的cache块包括序号为0index-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C10CP15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

20、 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victim0P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P1：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C13C13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, 0mrc p15, 0, , , c0, 0C13寄存器的编码格式如下所示：31 25 24 0PID0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0127。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。