ARM体系架构—ARMv7-A指令集：协处理器指令

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：

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。

• 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。

• 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：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。

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：
${CRm, opc1}$

• 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。

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