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ARM体系架构—ARMv7-A指令集:协处理器指令

程序员文章站 2022-09-26 23:32:11
ARM体系架构—ARMv7-A指令集一、ARMv7-A指令集二、ARMv7-A协处理器二、ARMv7-A协处理器指令七、ARMv7-A伪指令一、ARMv7-A指令集ARMv7-A架构是32位处理器架构。也是load/store架构,即数据处理指令操作在通用寄存器完成,只有load/store指令可以访问内存。此外ARM指令集还有一大特点,就是ARM指令集几乎所有的指令都可以增加条件码。ARM指令集可以归为一下四类:数据处理操作(ALU操作例如ADD);内存操作(load/store);控制流(...

一、ARMv7-A指令集

ARMv7-A架构是32位处理器架构。也是load/store架构,即数据处理指令操作在通用寄存器完成,只有load/store指令可以访问内存。此外ARM指令集还有一大特点,就是ARM指令集几乎所有的指令都可以增加条件码。
ARM指令集可以归为一下四类:

  1. 数据处理操作(ALU操作例如ADD);
  2. 内存操作(load/store);
  3. 控制流(循环,跳转,条件码等);
  4. 系统(协处理器,debug,模式切换等等)。

本文重点介绍协处理器指令。

二、ARMv7-A协处理器

ARM体系架构支持协处理器,用于扩展ARM处理器功能。协处理器指令用于访问协处理器。协处理器支持16个协处理器,编号0-15,使用CP0-CP15(Coprocessor)描述。

CP0-CP15协处理器的基本功能如下:

  • CP15:提供系统控制功能。包括架构和特性ID,以及控制,状态信息和配置支持,还包括cache,TLB和MMU的控制。
  • CP14:提供硬件Debug功能。
  • CP10,CP11:共同支持浮点运算和向量操作。控制和配置浮点和高级SIMD扩展架构。
  • CP8,9,12,13:为ARM架构保留协处理器。
  • CP0-7:由厂家定义协处理功能。

关于协处理器详细介绍请参看《ARM体系架构—ARMv7-A协处理器》

ARM指令集提供了协处理器指令用于访问协处理器中的寄存器。如果协处理器指令访问协处理器在系统中不存在,则会报未定义指令异常(Undef)。

二、ARMv7-A协处理器指令

协处理指令可以分为5类:

  1. CDP:发起协处理器数据处理操作;
  2. MRC:数据从协处理器寄存器传送到ARM寄存器;
  3. MCR:数据从ARM寄存器传送到协处理器寄存器;
  4. LDC:数据从内存传送到协处理器寄存器;
  5. STC:数据从协处理器寄存器传送到内存。

同时也支持多寄存器指令:

  1. MRRC:数据从协处理器寄存器传送到两个ARM寄存器;
  2. MCRR:数据从两个ARM寄存器传送到协处理器寄存器;
  3. LDCL:数据从多个ARM寄存器传送到协处理器寄存器;
  4. STCL:数据从协处理器寄存器传送到多个ARM寄存器。

MCRR指令格式如下。
ARM体系架构—ARMv7-A指令集:协处理器指令

  • c:条件码;
  • coproc:协处理器名称;
  • opc1:协处理器操作码,0-15;
  • Rt:第一个ARM源寄存器;
  • Rt2:第二个ARM源寄存器;
  • CRm:协处理器寄存器。

MRRC指令格式如下。
ARM体系架构—ARMv7-A指令集:协处理器指令

  • c:条件码;
  • coproc:协处理器名称;
  • opc1:协处理器操作码,0-15;
  • Rt:第一个ARM目标寄存器;
  • Rt2:第二个ARM目标寄存器;
  • CRm:协处理器寄存器。

三、读懂Linux Kernel协处理器指令

看懂Linux Kernel ARM体系协处理器指令,才能做到学以致用。截取Linux Kernel5.6.4中ARMv7获取PGD(PGD即对应一级页表)的代码:

#ifdef CONFIG_ARM_LPAE /* 定义LPAE,系统物理地址寻址范围扩展到40bit */

#define cpu_get_ttbr(nr)					\
	({							\
		u64 ttbr;					\
		__asm__("mrrc	p15, " #nr ", %Q0, %R0, c2"	\
			: "=r" (ttbr));				\
		ttbr;						\
	})

#define cpu_get_pgd()	\
	({						\
		u64 pg = cpu_get_ttbr(0);		\
		pg &= ~(PTRS_PER_PGD*sizeof(pgd_t)-1);	\
		(pgd_t *)phys_to_virt(pg);		\
	})
#else /* 未定义LPAE,系统物理地址寻址范围是32bit */
#define cpu_get_pgd()	\
	({						\
		unsigned long pg;			\
		__asm__("mrc	p15, 0, %0, c2, c0, 0"	\
			 : "=r" (pg) : : "cc");		\
		pg &= ~0x3fff;				\
		(pgd_t *)phys_to_virt(pg);		\
	})
#endif

没有开启LPAE的情况,内联汇编语法“%0”引用输出参数pg,变量pg被“=r”限定为存储在寄存器中。
汇编语法“mrc p15, 0, %0, c2, c0, 0”在读取协处理器CP15中c2寄存器。

按照协处理器寄存器的32bit组织形式解析该汇编所访问的寄存器。

CP15协处理器保护c0-c15共16个寄存器,寄存器32位的组织形式如下:
CRn,opc1,CRm,opc2 {CRn, opc1, CRm, opc2}

  • CRn:第一个协处理器寄存器;
  • opc1:协处理器操作码;
  • CRm:第二个协处理器寄存器;
  • opc2:协处理器操作码。

对于32bit协处理器寄存器的访问,汇编代码解析结果如下:

  • CRn:c2;
  • CRm:c0;
  • opc1:0
  • opc2:0

由32bit寄存器对应图可以看出读取的是TTBR0寄存器,即将页表基址寄存器读取到pg变量中。
ARM体系架构—ARMv7-A指令集:协处理器指令
开启LPAE的情况,内联汇编语法“%Q0”引用输出参数ttbr,变量ttbr被“=r”限定为存储在寄存器中。
汇编语法“mrrc p15, 0, %Q0, %R0, c2”在读取协处理器CP15中c2寄存器,此时c2寄存器是64bit的。

按照协处理器寄存器的64bit组织形式解析该汇编所访问的寄存器。

寄存器64位的组织形式如下:
CRm,opc1 {CRm, opc1}

  • opc1:协处理器操作码;
  • CRm:协处理器寄存器;

对于64bit协处理器寄存器的访问,汇编代码解析结果如下:

  • CRm:c2;
  • opc1:0

由64bit寄存器对应图图可以看出读取的是TTBR0寄存器,即将页表基址寄存器读取到ttbr变量中。
ARM体系架构—ARMv7-A指令集:协处理器指令

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