ARM協處理器各寄存器功能介紹

概述

在基於ARM的嵌入式應用系統中，存儲系統的操作通常是由協處理器CP15完成的。CP15包含16個32位的寄存器，其編號爲0～15。而訪問CP15寄存器的指令主要是MCR和MRC這兩個指令。

• MRC：協處理器寄存器到ARM處理器寄存器的數據傳送指令（讀出協處理器寄存器）。
• MCR：ARM處理器寄存器到協處理器寄存器的數據傳送指令（寫入協處理器寄存器）。

1、指令格式

MRC{cond} p15, <Opcode_1>, <Rd>, <CRn>, <CRm>, <Opcode_2>

MCR{cond} p15, <Opcode_1>, <Rd>, <CRn>, <CRm>, <Opcode_2>

cond：爲指令執行的條件碼。當cond忽略時指令爲無條件執行。
Opcode_1：協處理器的特定操作碼. 對於CP15寄存器來說，opcode1=0
Rd：作爲源寄存器的ARM寄存器，其值將被傳送到協處理器寄存器中，或者將協處理器寄存器的值傳送到 該寄存器裏面 ,通常爲R0
CRn：作爲目標寄存器的協處理器寄存器，其編號是C~C15。
CRm：協處理器中附加的目標寄存器或源操作數寄存器。如果不需要設置附加信息，將CRm設置爲c0，否 則結果未知
Opcode_2：可選的協處理器特定操作碼。（用來區分同一個編號的不同物理寄存器，當不需要提供附加信息時，指定爲0）

(1) 彙編語法表示：

mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0             //將 CP15 的寄存器 C1 的值讀到 r0 中 

mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0             //關閉ICaches和DCaches 

mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0             //使無效整個數據TLB和指令TLB

(2) C語言語法表示：

__asm__("mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0\n"      //使用__asm__  可以在C函數中執行彙編語句
        "orr r1, r1, #0xc0000000\n"                                         
        "mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0\n"  
        :::"r1"                             //:::"r1" 向GCC聲明：我對r1作了改動
);

2、CP15中的寄存器介紹

寄存器編號	基本作用	在 MMU 中的作用	在 PU 中的作用
0	ID 編碼（只讀）	ID 編碼和 cache 類型
1	控制位（可讀寫）	各種控制位
2	存儲保護和控制	地址轉換表基地址	Cachability 的控制位
3	存儲保護和控制	域訪問控制位	Bufferablity 控制位
4	存儲保護和控制	保留	保留
5	存儲保護和控制	內存失效狀態	訪問權限控制位
6	存儲保護和控制	內存失效地址	保護區域控制
7	高速緩存和寫緩存	高速緩存和寫緩存控制
8	存儲保護和控制	TLB 控制	保留
9	高速緩存和寫緩存	高速緩存鎖定
10	存儲保護和控制	TLB 鎖定	保留
11	保留
12	保留
13	進程標識符	進程標識符
14	保留
15	因不同設計而異	因不同設計而異	因不同設計而異

(1) CP15的寄存器C0

CP15 中寄存器 C0 對應兩個標識符寄存器，由訪問 CP15 的寄存器指令指定要訪問哪個具體物理寄存器，與兩個標識符寄存器的對應關係如下所示：

opcode2 編碼	對應的標識符號寄存器
0b000	主標識符寄存器
0b001	cache類型標識符寄存器
其 他	保留

A、主標識符寄存器

• 主標示符的編碼格式對於不同的ARM處理器版本有所不同。對於AMR7之後的處理器，其主標示符編碼格式如下 ：

  • 指令格式：MRC P15，0，R0，C0，C0，0，將主標示符寄存器的內容讀到AMR寄存器R0中 。
• 各部分的編碼詳細含義如下表所示：

30**～24**	23**～20**	19**～16**	15**～4**	3**～0**
由生產商確定	產品子編號	ARM 體系版本號	產品主編號	處理器版本號

B、cache類型標識符寄存器

• ARM 處理器中 cache 類型標識符寄存器的編碼格式如下所示：
  • 指令格式：MRC P15，0，R0，C0，C0，1，將cache類型標識符寄存器內容讀到AMR寄存器R0中
• 各部分字段含義如下所示：

31~29	28~25	24	23~12	11~0
000	屬性字段	S	數據 cache 相關屬性	指令cache 相關屬性

• 各部分的編碼詳細含義如下表所示：

位	含義
位[28: 25]	主要用於定義對於寫回類型的cache的一些屬性
位[24]	定義系統中的數據 cache 和指令 cache 是分開的還是統一的： 0: 系統的數據 cache 和指令 cache 是統一的 1: 系統的數據 cache 和指令 cache 是分開的
位 [23: 12]	定義數據 cache 的相關屬性,如果位 [24] 爲 0 ，本字段定義整個cache 的屬性
位 [31: 24]	定義指令 cache 的相關屬性,如果位 [24] 爲 0 ，本字段定義整個cache 的屬性

控制字段位[28： 25] 的含義 ：主要用於定義對於寫回類型的cache的一些屬性，

​ cache 類型標識符寄存器的控制字段位 [28 ： 25]。

編 碼	cache 類型	cache 內容清除方法	cache 內容鎖定方法
0b000	寫通類型	不需要內容清除	不支持內容鎖定
0b0001	寫回類型	數據塊讀取	不支持內容鎖定
0b0010	寫回類型	由寄存器 C7 定義	不支持內容鎖定
0b0110	寫回類型	由寄存器 C7 定義	支持格式 A
0b0111	寫回類型	由寄存器 C7 定義	支持格式 B

控制字段位 [23 ： 12] 及控制字段位 [11 ： 0] 含義 ：[23：12]用於定義DCache的屬性，[11: 0]用於定義ICache的屬性。編碼格式如下：

11~9	8~6	5~3	2	1~0
000	cache 容量	cache 相聯特性	M	塊大小

其中bits[1:0]含義如下：

編 碼	cache 塊大小
0b00	2 個 字（ 8 字節）
0b01	4 個 字（ 16 字節）
0b10	8 個 字（ 32 字節）
0b11	16 個 字（ 64 字節）

其中bits[5:3]含義如下：

編 碼	M=0 時含義	M=1 時含義
0b000	1 路 相聯（直接映射）	沒有 cache
0b001	2 路 相聯	3 路 相聯
0b010	4 路 相聯	6 路 相聯
0b011	8 路 相聯	12 路 相聯
0b100	16 路 相聯	24 路 相聯
0b101	32 路 相聯	48 路 相聯
0b110	64 路 相聯	96 路 相聯
0b111	128 路相聯	192 路相聯

其中bits[8:6]含義如下：

編 碼	M=0 時含義	M=1**時含義**
0b000	0.5KB	0.75 KB
0b001	1 KB	1.5 KB
0b010	2 KB	3 KB
0b011	4 KB	6 KB
0b100	8 KB	12 KB
0b101	16 KB	24 KB
0b110	32 KB	48 KB
0b111	64 KB	96 KB

（2） CP15 的寄存器 C1

CP15中的寄存器C1是一個控制寄存器，它包括以下控制功能：

• 禁止或使能MMU以及其他與存儲系統相關的功能
• 配置存儲系統以及ARM處理器中的相關部分的工作

指令如下：
mrc p15, 0, r0, c1, c0{, 0}，將 CP15 的寄存器 C1 的值讀到 r0 中
mcr p15, 0, r0, c1, c0{, 0}，將 r0 的值寫到 CP15 的寄存器 C1 中

CP15 中的寄存器 C1 的編碼格式及含義說明如下：

C1中的控制位	含義
M（bit[0]）	0 ：禁止 MMU 或者 PU <br />1 ：使能 MMU 或者 PU 如果系統中沒有MMU及PU，讀取時該位返回0，寫入時忽略該位。
A（bit[1]）	0 ：禁止地址對齊檢查<br />1 ：使能地址對齊檢查
C（bit[2]）	當數據cache和指令cache分開時，本控制位禁止/使能數據cache。當數據cache和指令cache統一時，該控制位禁止/使能整個cache。 <br />0 ：禁止數據 / 整個 cache <br />1 ：使能數據 / 整個 cache <br />如果系統中不含cache，讀取時該位返回0.寫入時忽略 當系統中不能禁止cache 時，讀取時返回1.寫入時忽略
W（bit[3]）	0 ：禁止寫緩衝 <br />1 ：使能寫緩衝 <br />如果系統中不含寫緩衝時，讀取時該位返回0.寫入時忽略 當系統中不能禁止寫緩衝時，讀取時返回1.寫入時忽略
P（bit[4]）	對於向前兼容26位地址的ARM處理器，本控制位控制PROG32控制信號 0 ：異常中斷處理程序進入 32 位地址模式 1 ：異常中斷處理程序進入26 位地址模式 如果本系統中不支持向前兼容26位地址，讀取該位時返回1，寫入時忽略
D（bit[5]）	對於向前兼容26位地址的ARM處理器，本控制位控制DATA32控制信號 <br />0 ：禁止 26 位地址異常檢查 <br />1 ：使能 26 位地址異常檢查 <br />如果本系統中不支持向前兼容26位地址，讀取該位時返回1，寫入時忽略
L（bit[6]）	對於ARMv3及以前的版本，本控制位可以控制處理器的中止模型 <br />0 ：選擇早期中止模型 <br />1 ：選擇後期中止模型
B（bit[7]）	對於存儲系統同時支持big-endian和little-endian的ARM系統，本控制位配置系統的存儲模式 <br />0 ： little endian <br />1 ： big endian <br />對於只支持little-endian的系統，讀取時該位返回0，寫入時忽略 <br />對於只支持big-endian的系統，讀取時該位返回1，寫入時忽略
S（bit[8]）	在基於 MMU 的存儲系統中，本位用作系統保護
R（bit[9]）	在基於 MMU 的存儲系統中，本位用作 ROM 保護
F（bit[10]）	由生產商定義
Z（bit[11]）	對於支持跳轉預測的ARM系統，本控制位禁止/使能跳轉預測功能 <br />0 ：禁止跳轉預測功能 <br />1 ：使能跳轉預測功能<br /> 對於不支持跳轉預測的ARM系統，讀取該位時返回0，寫入時忽略
I（bit[12]）	當數據cache和指令cache是分開的，本控制位禁止/使能指令cache <br />0 ：禁止指令 cache <br />1 ：使能指令 cache <br />如果系統中使用統一的指令cache和數據cache或者系統中不含cache，讀取該位時返回0，寫入時忽略。當系統中的指令cache不能禁止時，讀取時該位返回1，寫入時忽略
V（bit[13]）	對於支持高端異常向量表的系統，本控制位控制向量表的位置 <br />0 ：選擇低端異常中斷向量 0x0~0x1c <br />1 ：選擇高端異常中斷向量0xffff0000~ 0xffff001c <br />對於不支持高端異常向量表的系統，讀取時該位返回0，寫入時忽略
PR（bit[14]）	如果系統中的cache的淘汰算法可以選擇的話，本控制位選擇淘汰算法 <br />0 ：常規的 cache 淘汰算法，如隨機淘汰 <br />1 ：預測性淘汰算法，如round-robin 淘汰算法 <br />如果系統中cache的淘汰算法不可選擇，寫入該位時忽略。讀取該位時，根據其淘汰算法是否可以比較簡單地預測最壞情況返回0或者1
L4（bit[15]）	對於ARM版本5及以上的版本，本控制位可以提供兼容以前的ARM版本的功能 <br />0 ：保持 ARMv5 以上版本的正常功能 <br />1 ：將 ARMv5 以上版本與以前版本處理器 兼容，不根據跳轉地址的 bit[0] 進行 ARM 指令和 Thumb 狀態切換： bit[0] 等於 0 表示 ARM 指令，等於 1 表示 Thumb 指令
Bits[31:16]）	這些位保留將來使用，應爲UNP/SBZP

（3）CP15的寄存器C2

C2寄存器的別名：Translation table base (TTB) register
C2寄存器用來保存頁表的基地址，即一級映射描述符表的基地址。其編碼格如下所示：

[31:0]

一級映射描述符表的基地址（物理地址）

(4) CP15 的寄存器 C3

CP15 中的寄存器 C3 定義了 ARM 處理器的 16 個域的訪問權限。

在 CP15的C3寄存器中，劃分了 16個域，每個區域由兩位構成，這兩位說明了當前內存的檢查權限：

00：當前級別下，該內存區域不允許被訪問，任何的訪問都會引起一個domain fault，這時 AP位無效 ；

01：當前級別下，該內存區域的訪問必須配合該內存區域的段描述符中AP位進行權檢查 ；

10：保留狀態（我們最好不要填寫該值，以免引起不能確定的問題） ；

11：當前級別下，對該內存區域的訪問都不進行權限檢查， 這時 AP位無效 。

所以只有當相應域的編碼爲 01 時，纔會根據 AP位 和協處理器CP15中的C1寄存器的R,S位進行權限檢查。

（5） CP15 的寄存器 C5

CP15 中的寄存器 C5 是失效狀態寄存器，分爲指令狀態失效和數據狀態失效。

MRC p15, 0, , c5, c0, 0 :訪問數據失效狀態寄存器

MRC p15, 0, , c5, c0, 1 :訪問指令狀態失效寄存器
編碼格式如下所示：

[31:9]	8	[7:4]	[3:0]
UNP/SBZP	0	域標識	狀態標識

其中，域標識bit[7:4]表示存放引起存儲訪問失效的存儲訪問所屬的域。狀態標識 bit[3:0] 表示放引起存儲訪問失效的存儲訪問類型，該字段含義如下表所示（優先級由上到下遞減）。

(6) CP15的寄存器C6

CP15 中的寄存器 C6 是失效地址寄存器，其中保存了引起存儲訪問失效的地址，分爲數據失效地址寄存器和指令失效地址寄存器。

MRC p15, 0, , c6, c0, 0 :訪問數據失效地址寄存器

MRC p15, 0, , c6, c0, 2 :訪問指令失效地址寄存器
編碼格式如下所示：

[31:0]

失效地址（虛擬地址）

(7) CP15的寄存器C7

CP15 的 C7 寄存器用來控制 cache 和寫緩存，它是一個只寫寄存器，讀操作將產生不可預知的後果。

訪問 CP15 的 C7 寄存器的指令格式爲：mcr p15, 0, Rd, CRn, CRm, opcode_2 。具體含義如下表所示（表中的數據是指Rd中的數據）

(8) CP15的寄存器C8

系統協處理器CP15的寄存器C8就是清除TLB內容的相關操作。它是一個只寫的寄存器。

MCR p15，0，Rd，c8，CRm，opcode_2

Rd中爲要寫入C8寄存器的內容，CRm和opcode_2的不同組合決定指令執行的不同操作。

(9) CP15的寄存器C12

CP15寄存器C12用來設置異常向量基地址，其編碼格式如下所示： MCR p15, 0, , c12, c0, 0，Rd中存放要修改的異常向量基地址

[31:5]	[4:0]
異常向量基地址	Reserve

注：只有ARM11和cortex-a 可以任意修改異常向量基地址。arm7,ARM9,ARM10只可以在0地址或0xffff0000中

(10) CP15的寄存器C13

CP15中的寄存器C13用於快速上下文切換。其編碼格式如下所示

[31:25]	[24:0]
PID	０

其中， 在讀操作時，結果中位[31：:25]返回PID，其他位 的數值是不可以預知的。寫操作將設置PID的值。當PID的值爲0時，MVA = VA | (0（PID）<<25)，MVA=VA,相當於禁止了FCSE。系統復位後PID即爲0。當PID的值不爲0時，相當於使能了FCSE。

參考鏈接:

協處理器CP15介紹—MCR/MRC指令(6)