ARM协处理器CP15详解

用于系统存储管理的协处理器CP15

MCR{cond}     coproc，opcode1，Rd，CRn，CRm，opcode2

MRC {cond}    coproc，opcode1，Rd，CRn，CRm，opcode2

coproc       指令操作的协处理器名.标准名为pn,n,为0~15 

opcode1      协处理器的特定操作码. 对于CP15寄存器来说，opcode1永远为0，不为0时，操作结果不可预知

CRd          作为目标寄存器的协处理器寄存器. 

CRn          存放第1个操作数的协处理器寄存器. 

CRm          存放第2个操作数的协处理器寄存器. （用来区分同一个编号的不同物理寄存器，当不需要提供附加信息时，指定为C0）

opcode2      可选的协处理器特定操作码.  （用来区分同一个编号的不同物理寄存器，当不需要提供附加信息时，指定为0）

• 在基于ARM的嵌入式系统中，存储系统通常是通过系统控制协处理器CP15完成的。
• CP15可以包含16个32位的寄存器，其编号为0-15。实际上对于某些编号的寄存器可能对应有多个物理寄存器。在指令中指定特定的标志位来区分这些物理寄存器。有些类似于ARM寄存器中，处于不同的处理器模式时，ARM某些寄存器可能不同。

CP15 的寄存器列表如表所示：

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

注：以下寄存器中相应位的含义在不同的处理器中可能不同，但总体功能不变

（一）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：

opcode2 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

指令如下：

MRC    P15，0，R0，C0，C0，0       #将主标示符寄存器的内容读到AMR寄存器R0中

主标示符的编码格式对于不同的ARM处理器版本有所不同。

对于AMR7之后的处理器，其主标示符编码格式如下 ： 

30                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

各部分的编码详细含义如下表所示：

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0x0~0x7 但不能是 0x0 或 0x7 因为： 0x0表示 ARM7之前的处理器 0x7 表示ARM7处理器
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

（2）cache类型标识符寄存器

指令如下：

MRC    P15，0，R0，C0，C0，1       #将cache类型标识符寄存器的内容读到AMR寄存器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
000	属性字段	S	数据 cache 相关属性	指令cache 相关属性

各部分的编码详细含义如下表所示：

位	含义
位 [28: 25]	主要用于定义对于写回类型的cache的一些属性
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

•  控制字段位 [28 ： 25] 的含义

主要用于定义对于写回类型的cache的一些属性

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] 及控制字段位 [11 ： 0] 含义

[23：12]用于定义数据cache的属性，[11: 0]用于定义指令cache的属性

编码格式如下：

11      9	8                6	5                        3	2	1          0
000	cache 容量	cache 相联特性	M	块大小

其中bits[1:0]含义如下：

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）

其中bits[5:3]含义如下：

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

其中bits[8:6]含义如下：

编     码	M=0 时含义	M=1时含义
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

（二）CP15 的寄存器 C1

CP15中的寄存器C1是一个控制寄存器，它包括以下控制功能：

• 禁止或使能MMU以及其他与存储系统相关的功能
• 配置存储系统以及ARM处理器中的相关部分的工作

指令如下：

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：

C1中的控制位	含义
M（bit[0]）	0 ：禁止 MMU 或者 PU  1 ：使能 MMU 或者 PU 如果系统中没有MMU及PU，读取时该位返回0，写入时忽略该位
A（bit[1]）	0 ：禁止地址对齐检查 1 ：使能地址对齐检查
C（bit[2]）	当数据cache和指令cache分开时，本控制位禁止/使能数据cache。当数据cache和指令cache统一时，该控制位禁止/使能整个cache。 0 ：禁止数据 / 整个 cache  1 ：使能数据 / 整个 cache 如果系统中不含cache，读取时该位返回0.写入时忽略 当系统中不能禁止cache 时，读取时返回1.写入时忽略
W（bit[3]）	0 ：禁止写缓冲 1 ：使能写缓冲 如果系统中不含写缓冲时，读取时该位返回0.写入时忽略 当系统中不能禁止写缓冲时，读取时返回1.写入时忽略
P（bit[4]）	对于向前兼容26位地址的ARM处理器，本控制位控制PROG32控制信号 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 如果本系统中不支持向前兼容26位地址，读取该位时返回1，写入时忽略
D（bit[5]）	对于向前兼容26位地址的ARM处理器，本控制位控制DATA32控制信号 0 ：禁止 26 位地址异常检查 1 ：使能 26 位地址异常检查 如果本系统中不支持向前兼容26位地址，读取该位时返回1，写入时忽略
L（bit[6]）	对于ARMv3及以前的版本，本控制位可以控制处理器的中止模型 0 ：选择早期中止模型 1 ：选择后期中止模型
B（bit[7]）	对于存储系统同时支持big-endian和little-endian的ARM系统，本控制位配置系统的存储模式 0 ： little endian   1 ： big endian 对于只支持little-endian的系统，读取时该位返回0，写入时忽略 对于只支持big-endian的系统，读取时该位返回1，写入时忽略
S（bit[8]）	在基于 MMU 的存储系统中，本位用作系统保护
R（bit[9]）	在基于 MMU 的存储系统中，本位用作 ROM 保护
F（bit[10]）	由生产商定义
Z（bit[11]）	对于支持跳转预测的ARM系统，本控制位禁止/使能跳转预测功能 0 ：禁止跳转预测功能  1 ：使能跳转预测功能 对于不支持跳转预测的ARM系统，读取该位时返回0，写入时忽略
I（bit[12]）	当数据cache和指令cache是分开的，本控制位禁止/使能指令cache 0 ：禁止指令 cache   1 ：使能指令 cache 如果系统中使用统一的指令cache和数据cache或者系统中不含cache，读取该位时返回0，写入时忽略。当系统中的指令cache不能禁止时，读取时该位返回1，写入时忽略
V（bit[13]）	对于支持高端异常向量表的系统，本控制位控制向量表的位置 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 对于不支持高端异常向量表的系统，读取时该位返回0，写入时忽略
PR（bit[14]）	如果系统中的cache的淘汰可以选择的话，本控制位选择淘汰算法 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 如果系统中cache的淘汰算法不可选择，写入该位时忽略。读取该位时，根据其淘汰算法是否可以比较简单地预测最坏情况返回0或者1
L4（bit[15]）	对于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 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
Bits[31:16]）	这些位保留将来使用，应为UNP/SBZP

  

（三）CP15 的寄存器 C2

C2寄存器的别名：Translation table base (TTB) register

 C2寄存器用来保存页表的基地址，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）

（四）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

在 CP15的C3寄存器中，划分了 16个域，每个区域由两位构成，这两位说明了当前内存的检查权限：

00：当前级别下，该内存区域不允许被访问，任何的访问都会引起一个domain fault，这时 AP位无效

01：当前级别下，该内存区域的访问必须配合该内存区域的段描述符中AP位进行权检查
10：保留状态（我们最好不要填写该值，以免引起不能确定的问题）
11：当前级别下，对该内存区域的访问都不进行权限检查。 这时 AP位无效 

所以只有当相应域的编码为 01 时，才会根据  AP位 和协处理器CP15中的C1寄存器的R,S位进行权限检查

(五)CP15 的寄存器 C5

CP15 中的寄存器 C5 是失效状态寄存器，分为指令状态失效和数据状态失效。

MRC p15, 0,, c5, c0, 0 访问数据失效状态寄存器MRC p15, 0,, c5, c0, 1  访问指令状态失效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，该字段含义如下表所示（优先级由上到下递减）。

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

（六）CP15的寄存器C6

CP15 中的寄存器 C6 是失效地址寄存器，其中保存了引起存储访问失效的地址，分为数据失效地址寄存器和指令失效地址寄存器

MRC p15, 0,, c6, c0, 0  访问数据失效地址寄存器MRC p15, 0,, c6, c0, 2 访问指令失效地址寄存器

编码格式如下所示：

31                                                                                                      0

                        失效地址（虚拟地址）

（七）CP15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

表中的数据是指Rd中的数据：

（八）CP15的寄存器C8

    系统协处理器CP15的寄存器C8就是清除TLB内容的相关操作。它是一个只写的寄存器。

        MCR    p15，0，Rd，c8，CRm，opcode_2

        Rd中为要写入C8寄存器的内容，CRm和opcode_2的不同组合决定指令执行的不同操作。

指令	Rd	含义
MCR p15, 0, Rd, c8, c5, 0	0	使无效整个指令TLB
MCR p15, 0, Rd, c8, c5, 1	虚拟地址	TLB中的单个地址变换条目
MCR p15, 0, Rd, c8, c6, 0	0	使无效整个数据TLB
MCR p15, 0, Rd, c8, c6, 1	虚拟地址	使无效数据TLB中的单个地址变换条目
MCR p15, 0,, c8, c7, 0	0	使无效整个数据和指令TLB
MCR p15, 0,, c8, c7, 1	虚拟地址	使无效数据和指令TLB中的单个地址变换条目

（九）CP15的寄存器C12

CP15寄存器C12用来设置异常向量基地址，其编码格式如下所示：

MCR p15, 0,, c12, c0, 0 ；Rd中存放要修改的异常向量基地址

31              5	4         0
异常向量基地址	Reserve

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

（十）CP15的寄存器C13

CP15中的寄存器C13用于快速上下文切换。其编码格式如下所示。

访问寄存器C13的指令格式如下所示。

MCR           p15, 0,,,c0,0

MRC           P15, 0,,,c0,0

其中， 在读操作时，结果中位[31：:25]返回PID，其他位 的数值是不可以预知的。写操作将设置PID的值。

        当PID的值为0时，MVA = VA  |  (0（PID）<<25)，MVA=VA,相当于禁止了FCSE。系统复位后PID即为0.

        当PID的值不为0时，相当于使能了FCSE。