ARM存儲器之：協處理器CP15

ARM存儲系統有非常靈活的體系結構，可以適應不同的嵌入式應用系統的需要。ARM存儲器系統可以使用簡單的平板式地址映射機制（就像一些簡單的單片機一樣，地址空間的分配方式是固定的，系統中各部分都使用物理地址），也可以使用其他技術提供功能更為強大的存儲系統。比如：

·系統可能提供多種類型的存儲器件，如FLASH、ROM、SRAM等；

·Caches技術；

·寫緩存技術（writebuffers）；

·虛擬內存和I/O地址映射技術。

大多數的系統通過下面的方法之一實現對復雜存儲系統的管理。

·使能Cache，縮小處理器和存儲系統速度差別，從而提高系統的整體性能。

·使用內存映射技術實現虛擬空間到物理空間的映射。這種映射機制對嵌入式系統非常重要。通常嵌入式系統程序存放在ROM/FLASH中，這樣系統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的嵌入式系統中通常把異常中斷向量表放在RAM中。利用內存映射機制可以滿足這種需要。在系統加電時，將ROM/FLASH映射為地址0，這樣可以進行一些初始化處理；當這些初始化處理完成后將SDRAM映射為地址0，并把系統程序加載到SDRAM中運行，這樣很好地滿足嵌入式系統的需要。

·引入存儲保護機制，增強系統的安全性。

·引入一些機制保證將I/O操作映射成內存操作后，各種I/O操作能夠得到正確的結果。在簡單存儲系統中，不存在這樣問題。而當系統引入了Cache和writebuffer后，就需要一些特別的措施。

在ARM系統中，要實現對存儲系統的管理通常是使用協處理器CP15，它通常也被稱為系統控制協處理器（SystemControlCoprocessor）。

ARM的存儲器系統是由多級構成的，每級都有特定的容量和速度。

圖15.1顯示了存儲器的層次結構。

①寄存器。處理器寄存器組可看作是存儲器層次的頂層。這些寄存器被集成在處理器內核中，在系統中提供最快的存儲器訪問。典型的ARM處理器有多個32位寄存器，其訪問時間為ns量級。

圖15.1存儲器的層次結構

②緊耦合存儲器TCM。為彌補Cache訪問的不確定性增加的存儲器。TCM是一種快速SDRAM，它緊挨內核，并且保證取指和數據操作的時鐘周期數，這一點對一些要求確定行為的實時算法是很重要的。TCM位于存儲器地址映射中，可作為快速存儲器來訪問。

③片上Cache存儲器的容量在8KB～32KB之間，訪問時間大約為10ns。

④高性能的ARM結構中，可能存在第二級片外Cache，容量為幾百KB，訪問時間為幾十ns。

⑤DRAM。主存儲器可能是幾MB到幾十MB的動態存儲器，訪問時間大約為100ns。

⑥后援存儲器，通常是硬盤，可能從幾百MB到幾個GB，訪問時間為幾十ms。

15.1協處理器CP15

ARM處理器支持16個協處理器。在程序執行過程中，每個協處理器忽略屬于ARM處理器和其他協處理器的指令。當一個協處理器硬件不能執行屬于它的協處理器指令時，將產生一個未定義指令異常中斷，在該異常中斷處理程序中，可以通過軟件模擬該硬件操作。比如，如果系統不包含向量浮點運算器，則可以選擇浮點運算軟件模擬包來支持向量浮點運算。

CP15，即通常所說的系統控制協處理器（SystemControlCoprocesssor）。它負責完成大部分的存儲系統管理。除了CP15外，在具體的各種存儲管理機制中可能還會用到其他的一些技術，如在MMU中除CP15外，還使用了頁表技術等。

在一些沒有標準存儲管理的系統中，CP15是不存在的。在這種情況下，針對協處理器CP15的操作指令將被視為未定義指令，指令的執行結果不可預知。

CP15包含16個32位寄存器，其編號為0～15。實際上對于某些編號的寄存器可能對應多個物理寄存器，在指令中指定特定的標志位來區分這些物理寄存器。這種機制有些類似于ARM中的寄存器，當處于不同的處理器模式時，某些相同編號的寄存器對應于不同的物理寄存器。

CP15中的寄存器可能是只讀的，也可能是只寫的，還有一些是可讀可寫的。在對協處理器寄存器進行操作時，需要注意以下幾個問題。

·寄存器的訪問類型（只讀/只寫/可讀可寫）。

·不同的訪問引發的不同功能。

·相同編號的寄存器是否對應不同的物理寄存器。

·寄存器的具體作用。