ARM存储器之：协处理器CP15 虚拟内存, 处理器, 单片机, 存储器, 嵌入式

yuyang911220

ARM存储系统有非常灵活的体系结构，可以适应不同的嵌入式应用系统的需要。ARM存储器系统可以使用简单的平板式地址映射机制（就像一些简单的单片机一样，地址空间的分配方式是固定的，系统中各部分都使用物理地址），也可以使用其他技术提供功能更为强大的存储系统。比如：

        ·  系统可能提供多种类型的存储器件，如FLASH、ROM、SRAM等；
        ·  Caches技术；
        ·  写缓存技术（write buffers）；
        ·  虚拟内存和I/O地址映射技术。

        大多数的系统通过下面的方法之一实现对复杂存储系统的管理。

        ·  使能Cache，缩小处理器和存储系统速度差别，从而提高系统的整体性能。
        ·  使用内存映射技术实现虚拟空间到物理空间的映射。这种映射机制对嵌入式系统非常重要。通常嵌入式系统程序存放在ROM/FLASH中，这样系统断电后程序能够得到保存。但是通常ROM/FLASH与SDRAM相比，速度慢很多，而且基于ARM的嵌入式系统中通常把异常中断向量表放在RAM中。利用内存映射机制可以满足这种需要。在系统加电时，将ROM/FLASH映射为地址0，这样可以进行一些初始化处理；当这些初始化处理完成后将SDRAM映射为地址0，并把系统程序加载到SDRAM中运行，这样很好地满足嵌入式系统的需要。
        ·  引入存储保护机制，增强系统的安全性。
        ·  引入一些机制保证将I/O操作映射成内存操作后，各种I/O操作能够得到正确的结果。在简单存储系统中，不存在这样问题。而当系统引入了Cache和write buffer后，就需要一些特别的措施。

        在ARM系统中，要实现对存储系统的管理通常是使用协处理器CP15，它通常也被称为系统控制协处理器（System Control Coprocessor）。

        ARM的存储器系统是由多级构成的，每级都有特定的容量和速度。

        图15.1显示了存储器的层次结构。
        ① 寄存器。处理器寄存器组可看作是存储器层次的顶层。这些寄存器被集成在处理器内核中，在系统中提供最快的存储器访问。典型的ARM处理器有多个32位寄存器，其访问时间为ns量级。

       

        图15.1  存储器的层次结构

        ② 紧耦合存储器TCM。为弥补Cache访问的不确定性增加的存储器。TCM是一种快速SDRAM，它紧挨内核，并且保证取指和数据操作的时钟周期数，这一点对一些要求确定行为的实时算法是很重要的。TCM位于存储器地址映射中，可作为快速存储器来访问。
        ③ 片上Cache存储器的容量在8KB～32KB之间，访问时间大约为10ns。
        ④ 高性能的ARM结构中，可能存在第二级片外Cache，容量为几百KB，访问时间为几十ns。
        ⑤ DRAM。主存储器可能是几MB到几十MB的动态存储器，访问时间大约为100ns。
        ⑥ 后援存储器，通常是硬盘，可能从几百MB到几个GB，访问时间为几十ms。

注意

TCM和SRAM在技术上相同，但在结构排列上不同；TCM在片上，而SRAM在板上。

        15.1  协处理器CP15        ARM处理器支持16个协处理器。在程序执行过程中，每个协处理器忽略属于ARM处理器和其他协处理器的指令。当一个协处理器硬件不能执行属于它的协处理器指令时，将产生一个未定义指令异常中断，在该异常中断处理程序中，可以通过软件模拟该硬件操作。比如，如果系统不包含向量浮点运算器，则可以选择浮点运算软件模拟包来支持向量浮点运算。

        CP15，即通常所说的系统控制协处理器（System Control Coprocesssor）。它负责完成大部分的存储系统管理。除了CP15外，在具体的各种存储管理机制中可能还会用到其他的一些技术，如在MMU中除CP15外，还使用了页表技术等。

        在一些没有标准存储管理的系统中，CP15是不存在的。在这种情况下，针对协处理器CP15的操作指令将被视为未定义指令，指令的执行结果不可预知。

        CP15包含16个32位寄存器，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。这种机制有些类似于ARM中的寄存器，当处于不同的处理器模式时，某些相同编号的寄存器对应于不同的物理寄存器。

        CP15中的寄存器可能是只读的，也可能是只写的，还有一些是可读可写的。在对协处理器寄存器进行操作时，需要注意以下几个问题。
        ·  寄存器的访问类型（只读/只写/可读可写）。
        ·  不同的访问引发的不同功能。
        ·  相同编号的寄存器是否对应不同的物理寄存器。
        ·  寄存器的具体作用。

        15.1.1  CP15寄存器访问指令        通常对协处理器CP15的访问使用以下两种指令。
        MCR：将ARM寄存器的值写入CP15寄存器中；
        MRC：将CP15寄存器的值写入ARM寄存器中。

                                               

注意

通过协处理器访问指令CDP、LDC和STC指令对协处理器CP15进行访问将产生不可预知的结果。                                                                         其中，CDP为协处理器数据操作指令，这个指令初始化一些与协处理器相关的操作；                                                                         LDC为一个或多个字的协处理器数据读取指令，此指令从存储器读取数据到指定的协处理器中；                                                                         STC为一个或多个32位字的协处理器数据写入指令，此指令初始化一个协处理器的写操作，从给定的协处理器把数据传送到存储器中。