鸿蒙轻内核源码分析:MMU协处理器
摘要:本系列首先了解下ARM CP15协处理器的知识,接着介绍下协处理器相关的汇编指令,最后分析下MMU相关汇编代码。
本文分享自华为云社区《鸿蒙轻内核A核源码分析系列六 MMU协处理器》,作者:zhushy。
1、 ARM C15 协处理器
在ARM嵌入式应用系统中, 很多系统控制由ARM CP15协处理器来完成的。CP15协处理器包含编号0-15的16个32位的寄存器。例如,ARM处理器使用C15协处理器的寄存器来控制cache、TCM(Tightly-Coupled Memory)和存储器管理。CP15的各个寄存器的概要信息如下图,图片来自官方资料《ARM® Cortex™-A Series Version: 4.0 Programmer’s Guide》。
在这些C15寄存器中和MMU关系较大的有C2、C7、C17寄存器,这些寄存器的作用,从上图可以看出,分别是:
- CP15 C2寄存器
Memory protection and control registers,内存保护和控制寄存器,包含Translation Table Base Register 0 (TTBR0)、Translation Table Base Register 1 (TTBR1)和Translation Table Base Control Register (TTBCR)。TTBR0、TTBR1是L1转换页表的基地址,TTCR控制TTBR0和TTBR1的使用。
- CP15 C7寄存器
Cache and branch predictor maintenance functions、Data and instruction barrier operations用于高速缓存和写缓存控制。
- CP15 C13寄存器
Context ID Register (CONTEXTIDR)、Software thread ID registers用于保存进程标识符(asid地址空间编号)。
2、ARM C15 协处理器汇编指令
访问CP15寄存器的指令主要是MCR和MRC这两个指令。本小节详细介绍下这2个汇编指令。先看下指令的含义,MCR是ARM处理器寄存器到协处理器寄存器的数据传送指令,英文为Move CPU register to coprocessor register,MRC是协处理器寄存器到ARM处理器寄存器的数据传送指令,英文为Move from coprocessor register to CPU register。这2个指令的语义格式如下,可以看出语义格式是一样的,但是读取写入含义会有差异。MCR是读取Rt寄存器写入协处理器寄存器CRn、CRm,而MRC是读取协处理器寄存器CRn、CRm写入Rt寄存器。
MCR{cond} coproc, #opcode1, Rt, CRn, CRm{, #opcode2}
MRC{cond} coproc, #opcode1, Rt, CRn, CRm{, #opcode2}
MCR详细的语义介绍如下:
Syntax MCR{cond} coproc, #opcode1, Rt, CRn, CRm{, #opcode2} where: cond is an optional condition code. 可选的条件码。 coproc is the name of the coprocessor the instruction is for. The standard name is pn, where n is an integer in the range 0 to 15.协处理器的名称,标准名称为pn,其中n为0-15,例如p14、p15。 opcode1 is a 3-bit coprocessor-specific opcode. 3位的操作码。 opcode2 is an optional 3-bit coprocessor-specific opcode.可选的3位操作码。 Rt is an ARM source register. Rt must not be PC. 要读取的ARM寄存器,不能为PC寄存器。 CRn, CRm are coprocessor registers.要写入的协处理器寄存器。
MRC详细的语义介绍如下:
Syntax MRC{cond} coproc, #opcode1, Rt, CRn, CRm{, #opcode2} where: cond is an optional condition code. 可选的条件码。 coproc is the name of the coprocessor the instruction is for. The standard name is pn, where n is an integer in the range 0 to 15.协处理器的名称,标准名称为pn,其中n为0-15,例如p14、p15。 opcode1 is a 3-bit coprocessor-specific opcode.3位的操作码。 opcode2 is an optional 3-bit coprocessor-specific opcode.可选的3位操作码 Rt is the ARM destination register. Rt must not be PC.要写入的ARM寄存器,不能为PC寄存器。 Rt can be APSR_nzcv. This means that the coprocessor executes an instruction that changes the value of the condition flags in the APSR. Rt也可以为APSR_nzcv。 CRn, CRm are coprocessor registers.要读取的协处理器寄存器。
3、MMU汇编代码
在arch\arm\arm\include\arm.h文件中,封装了CP15协处理器相关的寄存器操作汇编函数。我们主要看下MMU相关的部分。
3.1 CP15 C2 TTBR转换表基地址寄存器
代码比较简单,结合下图,自行查看即可。该图来自《ARM Cortex-A9 Technical Reference Manual r4p1》CP15 system control registers grouped by CRn order部分。
STATIC INLINE UINT32 OsArmReadTtbr(VOID) { UINT32 val; __asm__ volatile("mrc p15, 0, %0, c2,c0,0" : "=r"(val)); return val; } STATIC INLINE VOID OsArmWriteTtbr(UINT32 val) { __asm__ volatile("mcr p15, 0, %0, c2,c0,0" ::"r"(val)); __asm__ volatile("isb" ::: "memory"); } STATIC INLINE UINT32 OsArmReadTtbr0(VOID) { UINT32 val; __asm__ volatile("mrc p15, 0, %0, c2,c0,0" : "=r"(val)); return val; } STATIC INLINE VOID OsArmWriteTtbr0(UINT32 val) { __asm__ volatile("mcr p15, 0, %0, c2,c0,0" ::"r"(val)); __asm__ volatile("isb" ::: "memory"); } STATIC INLINE UINT32 OsArmReadTtbr1(VOID) { UINT32 val; __asm__ volatile("mrc p15, 0, %0, c2,c0,1" : "=r"(val)); return val; } STATIC INLINE VOID OsArmWriteTtbr1(UINT32 val) { __asm__ volatile("mcr p15, 0, %0, c2,c0,1" ::"r"(val)); __asm__ volatile("isb" ::: "memory"); } STATIC INLINE UINT32 OsArmReadTtbcr(VOID) { UINT32 val; __asm__ volatile("mrc p15, 0, %0, c2,c0,2" : "=r"(val)); return val; } STATIC INLINE VOID OsArmWriteTtbcr(UINT32 val) { __asm__ volatile("mcr p15, 0, %0, c2,c0,2" ::"r"(val)); __asm__ volatile("isb" ::: "memory"); }
3.2 CP15 C7 高速缓存寄存器
代码比较简单,结合下图,自行查看即可。该图是C7寄存器的部分截图。
STATIC INLINE UINT32 OsArmReadBpiall(VOID) { UINT32 val; __asm__ volatile("mrc p15, 0, %0, c7,c5,6" : "=r"(val)); return val; } STATIC INLINE VOID OsArmWriteBpiall(UINT32 val) { __asm__ volatile("mcr p15, 0, %0, c7,c5,6" ::"r"(val)); __asm__ volatile("isb" ::: "memory"); } STATIC INLINE UINT32 OsArmReadBpiallis(VOID) { UINT32 val; __asm__ volatile("mrc p15, 0, %0, c7,c1,6" : "=r"(val)); return val; } STATIC INLINE VOID OsArmWriteBpiallis(UINT32 val) { __asm__ volatile("mcr p15, 0, %0, c7,c1,6" ::"r"(val)); __asm__ volatile("isb" ::: "memory"); }
3.3 CP15 C13 进程标识符寄存器
代码比较简单,结合下图,自行查看即可。
STATIC INLINE UINT32 OsArmReadContextidr(VOID) { UINT32 val; __asm__ volatile("mrc p15, 0, %0, c13,c0,1" : "=r"(val)); return val; } STATIC INLINE VOID OsArmWriteContextidr(UINT32 val) { __asm__ volatile("mcr p15, 0, %0, c13,c0,1" ::"r"(val)); __asm__ volatile("isb" ::: "memory"); }
4 MMU上下文切换
在之前的系列,我们了解到每个用户进程都有独立的进程空间。在进程切换时,MMU上下文也会切换,相应的函数为LOS_ArchMmuContextSwitch()。快速分析下该函数的代码。
⑴处读取TTBCR寄存器的状态值,如果传入参数archMmu不为空,执行⑵使能TTBR0,否则执行⑶使其失能TTBR0。⑷处把内核地址空间的进程空间标识符asid写入C13寄存器。⑸处更新TTB页表基地址和TTB状态信息到相应寄存器。⑹处把进程空间的进程标识符写入C13寄存器。
VOID LOS_ArchMmuContextSwitch(LosArchMmu *archMmu) { UINT32 ttbr; ⑴ UINT32 ttbcr = OsArmReadTtbcr(); if (archMmu) { ⑵ ttbr = MMU_TTBRx_FLAGS | (archMmu->physTtb); /* enable TTBR0 */ ttbcr &= ~MMU_DESCRIPTOR_TTBCR_PD0; } else { ⑶ ttbr = 0; /* disable TTBR0 */ ttbcr |= MMU_DESCRIPTOR_TTBCR_PD0; } #ifdef LOSCFG_KERNEL_VM /* from armv7a arm B3.10.4, we should do synchronization changes of ASID and TTBR. */ ⑷ OsArmWriteContextidr(LOS_GetKVmSpace()->archMmu.asid); ISB; #endif ⑸ OsArmWriteTtbr0(ttbr); ISB; OsArmWriteTtbcr(ttbcr); ISB; #ifdef LOSCFG_KERNEL_VM if (archMmu) { ⑹ OsArmWriteContextidr(archMmu->asid); ISB; } #endif }
小结
本文介绍了ARM CP15协处理器的知识,接着介绍下协处理器相关的汇编指令,最后分析下MMU相关汇编代码。感谢阅读,有什么问题,请留言。
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