S3C2440 cp15协处理器详解

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2440的协处理器CP15总共有c0~c15这16个协处理器寄存器，各自具有一定的功能定义。但总的来说，cp15主要跟以下功能有关：
1、获取device id和cache type等一些CPU相关信息。
2、MMU操作。包括MMU的使能和禁止，虚拟地址到物理地址的映射机制建立
3、访问权限控制。主要用来实现安全机制和linux的写时复制（copy on write）。
4、设置时钟模式。init.S中MMU_SetAsyncBusMode和MMU_SetFastBusMode这两个函数
下面我会分别就以上4种应用详细分析，并配合代码进行讲解。
1、获取device id和cache type。这两个信息存在p15的c0寄存器中，有意思的是c0寄存器有两个实体，一个用来存device id（叫做c0.0），另一个用来存cache type（叫做c0.1）这两个寄存器在读取时命令不同，请参看以下示例代码。

U32 P15_ReadID(void)
{
    U32 id;
    __asm{
        mrc p15,0,id,c0,c0;
    }
    return id;
}

U32 P15_ReadCacheType(void)
{
    U32 id;
    __asm{
        mrc p15,0,id,c0,c0,1;
    }
    return id;
}

对以上代码的说明：
（1） CPU从p15读出寄存器只能使用mrc指令。同样，写入p15寄存器只能使用mcr指令。这两个指令也是p15唯一可以接受的两个指令。
（2） __asm{ }用来在c代码中内嵌汇编。
（3） 从代码中可以看出，读出c0.0和c0.1的代码，在opcode2处有所不同。（读出c0.1时，opcode2为1.c0.0时opcode2省略）。
（4） 我使用的S3C2440实际读出的device id为 0x41129200；cache type为：0xd172172。和Jlink Commander识别出得参数对比是相同的。

2、MMU操作。
和MMU有关的p15寄存器为c1（control register）和c2（TTB translation table base register）。其中c2比较简单，就是用来储存从虚拟地址到物理地址的地址转换表的基地址的（转换表存放在内存中，譬如可以放在0x30000000地址），因此我们在初始化mmu的时候，只要将规划的转换表基地址用mcr指令传送到该c2寄存器即可。而c1寄存器为控制寄存器，详细定义如下：

Register 1 - Control (read/write) 
All values set to 0 at power-up. 
o    Bit    0 - On-chip MMU turned off (0) or on (1)  用来关闭或使能MMU
o    Bit    1 - Address alignment fault disabled (0) or enabled (1)  关闭或打开地址对齐检查
o    Bit    2 - Data cache turned off (0) or on (1)  数据cache打开或关闭
o    Bit    3 - Write buffer turned off (0) or on (1) 
o    Bit    7 - Little-endian operation if 0, big-endian if 1  用来选择大小端格式
o    Bit    8 - System bit - controls the MMU permission system 
o    Bit    9 - ROM bit - controls the MMU permission system  bit8（S bit ） and bit9（R bit）用来管理MMU访问权限，第3部分会详述
o    Bit  12 - Instruction cache turned off (0) or on (1)”  指令cache打开或关闭
o    Bit  13 - Base location of exception registers. 0x00000000(0) or 0xffff0000(1) 上电启动地址。
o    Bit  14 - Round robin replacement ,random replacement(0) or round-robin replacement(1). 不太懂这个
o    Bit  15 ~ Bit29   reserved
o    Bit  30  nF bit bit30 和 bit31共同用来决定总线模式。 iA：nF = 00 FastBus mode 
o    Bit  31  iA bit 01 Synchronous mode  10 reserved 11 Asynchronous mode

结合以上对c1寄存器的位定义的分析，我们来看看下面这个函数：

void MMU_Init(void)
{
    __asm{

        mov r0,#0x30000000;     // r0=TTBase 即页表的基地址
        mcr p15,0,r0,c2,c0,0;   // C2中存放地址转换表基地址

        mvn r0, #0;             // 数据取反传送指令
        mcr p15,0,r0,c3,c0,0;   // 访问类型为管理者权限

    mrc p15,0,r0,c1,c0,0;   // 读出协处理器C1
    orr r0,r0,#01;          // 或操作，使最低位为1
    mcr p15,0,r0,c1,c0,0;   // 给C1赋值
    }
}

函数中使用ARM寄存器r0作为和协处理器寄存器的接口。mcr p15,0,r0,c2,c0,0这句将r0中得值（0x30000000，这个是我们规划的转换表的基地址）放入（因此是mcr，所以是从ARM寄存器到p15协处理器寄存器）c2中。c2即是p15中的转换表基址。

<span style="white-space:pre">  </span>mrc p15,0,r0,c1,c0,0;    // 读出协处理器C1
    orr r0,r0,#01;          // 或操作，使最低位为1
    mcr p15,0,r0,c1,c0,0;   // 给C1赋值
    典型的读-改-写三步操作，目的就是将c1寄存器的bit0置1而同时不影响其他位。根据上面的寄存器定义可知，c1的bit0为MMU enable or disable，因此该三句代码实际上是打开了MMU。（注意MMU打开前后，地址空间发生了变化。MMU打开前程序是工作在物理地址空间的，而MMU打开后程序便工作在了虚拟地址空间）

c1中跟MMU有关的还有data cache和instruction cache的打开和关闭，S bit和 R bit联合组成的访问权限控制等位。另外，c1中还有其他一些我们可能会用到的信息位。
譬如：Bit7用来选择大小端模式，bootloader中一般会有代码，通过设置该位来告知CPU当前板子使用的是little endian or big endian。（因为该位上电默认是0，因此默认的模式为小端模式。）； Bit13为上电启动地址，也就是reset excetion复位异常的入口地址。上电默认也是0，因此默认的上电启动地址为0x00000000。当我们使用mcr指令将该位置1时，便可以将reset exception设置到 0xffff0000，记得这个好像是为了WinCE的移植支持设计的。

3、访问权限控制。
访问权限控制主要由c3（domain access control register）和c1中的S bit 和R bit共同控制。详细情况请参考 。
从上面链接中的介绍可以看出，c3中的32bit正好组成16组，每组占用2bit，这两bit若为0x00，那么具体的访问规则则由S bit + R bit决定。若为0x01或0x10或0x11则S bit和R bit不起作用。 其实所有的情况都包含在下面这张表中了

AP	S	R	Supervisor permissions	User permissions	Description
00	0	0	No access	No access	Any access generates a permission fault
00	1	0	Read-only	No access	Only Supervisor read permitted
00	0	1	Read-only	Read-only	Any write generates a permission fault
00	1	1	Reserved	-	-
01	x	x	Read/write	No access	Access allowed only in Supervisor mode
10	x	x	Read/write	Read-only	Writes in User mode cause permission fault
11	x	x	Read/write	Read/write	All access types permitted in both modes
xx	1	1	Reserved	-	-

4、设置bus mode
bootloader中有两个函数是用来设置bus mode的，关于这个bus mode不是很清楚具体情况，我们这里只是分析其操作过程。
MMU_SetAsyncBusMode
    mrc p15,0,r0,c1,c0,0 ;  读出c1
    orr r0,r0,#R1_nF:OR:R1_iA ;  
    mcr p15,0,r0,c1,c0,0 ; R1的nF和iA位置1,11对应 Asynchronus bus mode
    MOV_PC_LR

MMU_SetFastBusMode
   mrc p15,0,r0,c1,c0,0
   bic r0,r0,#R1_iA:OR:R1_nF ; 清零nF和iA这两位，00对应 fast bus mode
   mcr p15,0,r0,c1,c0,0
   MOV_PC_LR