ARM存儲(chǔ)器之：協(xié)處理器CP15

ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)有非常靈活的體系結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)不同的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的需要。ARM存儲(chǔ)器系統(tǒng)可以使用簡(jiǎn)單的平板式地址映射機(jī)制（就像一些簡(jiǎn)單的單片機(jī)一樣，地址空間的分配方式是固定的，系統(tǒng)中各部分都使用物理地址），也可以使用其他技術(shù)提供功能更為強(qiáng)大的存儲(chǔ)系統(tǒng)。比如：

·系統(tǒng)可能提供多種類(lèi)型的存儲(chǔ)器件，如FLASH、ROM、SRAM等；

·Caches技術(shù)；

·寫(xiě)緩存技術(shù)（writebuffers）；

·虛擬內(nèi)存和I/O地址映射技術(shù)。

大多數(shù)的系統(tǒng)通過(guò)下面的方法之一實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜存儲(chǔ)系統(tǒng)的管理。

·使能Cache，縮小處理器和存儲(chǔ)系統(tǒng)速度差別，從而提高系統(tǒng)的整體性能。

·使用內(nèi)存映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬空間到物理空間的映射。這種映射機(jī)制對(duì)嵌入式系統(tǒng)非常重要。通常嵌入式系統(tǒng)程序存放在ROM/FLASH中，這樣系統(tǒng)斷電后程序能夠得到保存。但是通常ROM/FLASH與SDRAM相比，速度慢很多，而且基于ARM的嵌入式系統(tǒng)中通常把異常中斷向量表放在RAM中。利用內(nèi)存映射機(jī)制可以滿(mǎn)足這種需要。在系統(tǒng)加電時(shí)，將ROM/FLASH映射為地址0，這樣可以進(jìn)行一些初始化處理；當(dāng)這些初始化處理完成后將SDRAM映射為地址0，并把系統(tǒng)程序加載到SDRAM中運(yùn)行，這樣很好地滿(mǎn)足嵌入式系統(tǒng)的需要。

·引入存儲(chǔ)保護(hù)機(jī)制，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。

·引入一些機(jī)制保證將I/O操作映射成內(nèi)存操作后，各種I/O操作能夠得到正確的結(jié)果。在簡(jiǎn)單存儲(chǔ)系統(tǒng)中，不存在這樣問(wèn)題。而當(dāng)系統(tǒng)引入了Cache和writebuffer后，就需要一些特別的措施。

在ARM系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的管理通常是使用協(xié)處理器CP15，它通常也被稱(chēng)為系統(tǒng)控制協(xié)處理器（SystemControlCoprocessor）。

ARM的存儲(chǔ)器系統(tǒng)是由多級(jí)構(gòu)成的，每級(jí)都有特定的容量和速度。

圖15.1顯示了存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)。

①寄存器。處理器寄存器組可看作是存儲(chǔ)器層次的頂層。這些寄存器被集成在處理器內(nèi)核中，在系統(tǒng)中提供最快的存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)。典型的ARM處理器有多個(gè)32位寄存器，其訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為ns量級(jí)。

圖15.1存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)

②緊耦合存儲(chǔ)器TCM。為彌補(bǔ)Cache訪(fǎng)問(wèn)的不確定性增加的存儲(chǔ)器。TCM是一種快速SDRAM，它緊挨內(nèi)核，并且保證取指和數(shù)據(jù)操作的時(shí)鐘周期數(shù)，這一點(diǎn)對(duì)一些要求確定行為的實(shí)時(shí)算法是很重要的。TCM位于存儲(chǔ)器地址映射中，可作為快速存儲(chǔ)器來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。

③片上Cache存儲(chǔ)器的容量在8KB～32KB之間，訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間大約為10ns。

④高性能的ARM結(jié)構(gòu)中，可能存在第二級(jí)片外Cache，容量為幾百KB，訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為幾十ns。

⑤DRAM。主存儲(chǔ)器可能是幾MB到幾十MB的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間大約為100ns。

⑥后援存儲(chǔ)器，通常是硬盤(pán)，可能從幾百M(fèi)B到幾個(gè)GB，訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為幾十ms。

15.1協(xié)處理器CP15

ARM處理器支持16個(gè)協(xié)處理器。在程序執(zhí)行過(guò)程中，每個(gè)協(xié)處理器忽略屬于ARM處理器和其他協(xié)處理器的指令。當(dāng)一個(gè)協(xié)處理器硬件不能執(zhí)行屬于它的協(xié)處理器指令時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)未定義指令異常中斷，在該異常中斷處理程序中，可以通過(guò)軟件模擬該硬件操作。比如，如果系統(tǒng)不包含向量浮點(diǎn)運(yùn)算器，則可以選擇浮點(diǎn)運(yùn)算軟件模擬包來(lái)支持向量浮點(diǎn)運(yùn)算。

CP15，即通常所說(shuō)的系統(tǒng)控制協(xié)處理器（SystemControlCoprocesssor）。它負(fù)責(zé)完成大部分的存儲(chǔ)系統(tǒng)管理。除了CP15外，在具體的各種存儲(chǔ)管理機(jī)制中可能還會(huì)用到其他的一些技術(shù)，如在MMU中除CP15外，還使用了頁(yè)表技術(shù)等。

在一些沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)管理的系統(tǒng)中，CP15是不存在的。在這種情況下，針對(duì)協(xié)處理器CP15的操作指令將被視為未定義指令，指令的執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。

CP15包含16個(gè)32位寄存器，其編號(hào)為0～15。實(shí)際上對(duì)于某些編號(hào)的寄存器可能對(duì)應(yīng)多個(gè)物理寄存器，在指令中指定特定的標(biāo)志位來(lái)區(qū)分這些物理寄存器。這種機(jī)制有些類(lèi)似于ARM中的寄存器，當(dāng)處于不同的處理器模式時(shí)，某些相同編號(hào)的寄存器對(duì)應(yīng)于不同的物理寄存器。

CP15中的寄存器可能是只讀的，也可能是只寫(xiě)的，還有一些是可讀可寫(xiě)的。在對(duì)協(xié)處理器寄存器進(jìn)行操作時(shí)，需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

·寄存器的訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)型（只讀/只寫(xiě)/可讀可寫(xiě)）。

·不同的訪(fǎng)問(wèn)引發(fā)的不同功能。

·相同編號(hào)的寄存器是否對(duì)應(yīng)不同的物理寄存器。

·寄存器的具體作用。