ARM-CP15協(xié)處理器

ARM處理器使用協(xié)處理器15(CP15)的寄存器來(lái)控制cache、TCM和存儲(chǔ)器管理。CP15的寄存器只能被MRC和MCR（Move to Coprocessor from ARM Register ）指令訪(fǎng)問(wèn)，包含16個(gè)32位的寄存器，其編號(hào)為0~15。本篇重點(diǎn)講解其中的 C7,C2,C13三個(gè)寄存器。

先拆解一段匯編代碼

上來(lái)看段匯編，讀懂內(nèi)核源碼不會(huì)點(diǎn)匯編是不行的 , 但不用發(fā)怵，沒(méi)那么恐怖，由淺入深, 內(nèi)核其實(shí)挺好玩的。見(jiàn)于 arm.h，里面全是這些玩意。

#define DSB __asm__ volatile("dsb" ::: "memory")
#define ISB __asm__ volatile("isb" ::: "memory")
#define DMB __asm__ volatile("dmb" ::: "memory")

STATIC INLINE VOID OsArmWriteBpiallis(UINT32 val)
{
    __asm__ volatile("mcr p15, 0, %0, c7,c1,6" ::"r"(val));
    __asm__ volatile("isb" ::: "memory");
}

cond：為指令執(zhí)行的條件碼。當(dāng)cond忽略時(shí)指令為無(wú)條件執(zhí)行。
Opcode_1：協(xié)處理器的特定操作碼. 對(duì)于CP15寄存器來(lái)說(shuō)，opcode1=0
Rd：作為源寄存器的ARM寄存器，其值將被傳送到協(xié)處理器寄存器中，或者將協(xié)處理器寄存器的值傳送到該寄存器里面 ,通常為R0
CRn：作為目標(biāo)寄存器的協(xié)處理器寄存器，其編號(hào)是C~C15。
CRm：協(xié)處理器中附加的目標(biāo)寄存器或源操作數(shù)寄存器。如果不需要設(shè)置附加信息，將CRm設(shè)置為c0，否則結(jié)果未知
Opcode_2：可選的協(xié)處理器特定操作碼。（用來(lái)區(qū)分同一個(gè)編號(hào)的不同物理寄存器，當(dāng)不需要提供附加信息時(shí)，指定為0

這句匯編的指令字面意思是: 將ARM寄存器R0的數(shù)據(jù)寫(xiě)到CP15中編號(hào)為7的寄存器中，值由外面?zhèn)鬟M(jìn)來(lái)。

例如 OsArmWriteBpiallis(0)做了4個(gè)動(dòng)作

1.把0值寫(xiě)入R0寄存器，注意這個(gè)寄存器是ARM即CPU的寄存器，::"r"(val)意思代表向GCC編譯器聲明，會(huì)修改R0寄存器的值，改之前提前打好招呼，都是紳士文明人。其實(shí)編譯器的功能是非常強(qiáng)大的，不僅僅是大家普遍認(rèn)為的只是編譯代碼的工具而已。

2.volatile的意思還是告訴編譯器，不要去優(yōu)化這段代碼，原封不動(dòng)的生成目標(biāo)指令。

3."isb" ::: "memory" 還是告訴編譯器內(nèi)存的內(nèi)容可能被更改了，需要無(wú)效所有Cache，并訪(fǎng)問(wèn)實(shí)際的內(nèi)容，而不是Cache！

4.再把R0的值寫(xiě)入到C7中，C7是CP15協(xié)處理器的寄存器。C7寄存器是負(fù)責(zé)什么的？對(duì)照下面的表。

CP15有哪些寄存器

這句話(huà)真正的意思是：關(guān)閉高速緩存和寫(xiě)緩存控制！，其他部分寄存器下面會(huì)講，先有個(gè)大概印象。

mmu從哪里獲取 page table 的信息？答案是: TTB

TTB寄存器(Translation table base)

參考上表可知TTB寄存器是CP15協(xié)處理器的C2寄存器，存頁(yè)表的基地址，即一級(jí)映射描述符表的基地址。圍繞著TTB鴻蒙提供了以下讀取函數(shù)。簡(jiǎn)單說(shuō)就是內(nèi)核從外面不斷的修改和讀取寄存器值，而MMU只會(huì)直接通過(guò)硬件讀取這個(gè)寄存器的值，以達(dá)到MMU獲取不一樣的頁(yè)表進(jìn)行進(jìn)程虛擬地址和物理地址的轉(zhuǎn)換。還記得嗎？每個(gè)進(jìn)程的頁(yè)表都是獨(dú)立的！

那么什么情況下會(huì)修改里面的值呢？換頁(yè)表意味著mmu在進(jìn)行上下文的切換！還是直接看代碼吧。

mmu上下文

只被這一個(gè)函數(shù)調(diào)用。毫無(wú)疑問(wèn)LOS_ArchMmuContextSwitch是關(guān)鍵函數(shù)。

typedef struct ArchMmu {
    LosMux              mtx;            /**< arch mmu page table entry modification mutex lock */
    VADDR_T             *virtTtb;       /**< translation table base virtual addr */
    PADDR_T             physTtb;        /**< translation table base phys addr */
    UINT32              asid;           /**< TLB asid */
    LOS_DL_LIST         ptList;         /**< page table vm page list */
} LosArchMmu;

// mmu 上下文切換
VOID LOS_ArchMmuContextSwitch(LosArchMmu *archMmu)
{
    UINT32 ttbr;
    UINT32 ttbcr = OsArmReadTtbcr();//讀取TTB寄存器的狀態(tài)值
    if (archMmu) {
        ttbr = MMU_TTBRx_FLAGS | (archMmu->physTtb);//進(jìn)程TTB物理地址值
        /* enable TTBR0 */
        ttbcr &= ~MMU_DESCRIPTOR_TTBCR_PD0;//使能TTBR0
    } else {
        ttbr = 0;
        /* disable TTBR0 */
        ttbcr |= MMU_DESCRIPTOR_TTBCR_PD0;
    }

    /* from armv7a arm B3.10.4, we should do synchronization changes of ASID and TTBR. */
    OsArmWriteContextidr(LOS_GetKVmSpace()->archMmu.asid);//這里先把a(bǔ)sid切到內(nèi)核空間的ID
    ISB;
    OsArmWriteTtbr0(ttbr);//通過(guò)r0寄存器將進(jìn)程頁(yè)面基址寫(xiě)入TTB
    ISB;
    OsArmWriteTtbcr(ttbcr);//寫(xiě)入TTB狀態(tài)位
    ISB;
    if (archMmu) {
        OsArmWriteContextidr(archMmu->asid);//通過(guò)R0寄存器寫(xiě)入進(jìn)程標(biāo)識(shí)符至C13寄存器
        ISB;
    }
}
// c13 asid(Adress Space ID)進(jìn)程標(biāo)識(shí)符
STATIC INLINE VOID OsArmWriteContextidr(UINT32 val)
{
    __asm__ volatile("mcr p15, 0, %0, c13,c0,1" ::"r"(val));
    __asm__ volatile("isb" ::: "memory");
}

再看下那些地方會(huì)調(diào)用LOS_ArchMmuContextSwitch，下圖一目了然。

有四個(gè)地方會(huì)切換mmu上下文

第一：通過(guò)調(diào)度算法，被選中的進(jìn)程的空間改變了，自然映射頁(yè)表就跟著變了，需要切換mmu上下文，還是直接看代碼。代碼不是很多，就都貼出來(lái)了，都加了注釋?zhuān)挥浀谜{(diào)度算法的可去系列篇中看鴻蒙內(nèi)核源碼分析(調(diào)度機(jī)制篇)，里面有詳細(xì)的闡述。

//調(diào)度算法-進(jìn)程切換
STATIC VOID OsSchedSwitchProcess(LosProcessCB *runProcess, LosProcessCB *newProcess)
{
    if (runProcess == newProcess) {
        return;
    }

#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
    runProcess->processStatus = OS_PROCESS_RUNTASK_COUNT_DEC(runProcess->processStatus);
    newProcess->processStatus = OS_PROCESS_RUNTASK_COUNT_ADD(newProcess->processStatus);

    LOS_ASSERT(!(OS_PROCESS_GET_RUNTASK_COUNT(newProcess->processStatus) > LOSCFG_KERNEL_CORE_NUM));
    if (OS_PROCESS_GET_RUNTASK_COUNT(runProcess->processStatus) == 0) {//獲取當(dāng)前進(jìn)程的任務(wù)數(shù)量
#endif
        runProcess->processStatus &= ~OS_PROCESS_STATUS_RUNNING;
        if ((runProcess->threadNumber > 1) && !(runProcess->processStatus & OS_PROCESS_STATUS_READY)) {
            runProcess->processStatus |= OS_PROCESS_STATUS_PEND;
        }
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
    }
#endif
    LOS_ASSERT(!(newProcess->processStatus & OS_PROCESS_STATUS_PEND));//斷言進(jìn)程不是阻塞狀態(tài)
    newProcess->processStatus |= OS_PROCESS_STATUS_RUNNING;//設(shè)置進(jìn)程狀態(tài)為運(yùn)行狀態(tài)

    if (OsProcessIsUserMode(newProcess)) {//用戶(hù)模式下切換進(jìn)程mmu上下文
        LOS_ArchMmuContextSwitch(&newProcess->vmSpace->archMmu);//新進(jìn)程->虛擬空間中的->Mmu部分入?yún)?
    }

#ifdef LOSCFG_KERNEL_CPUP
    OsProcessCycleEndStart(newProcess->processID, OS_PROCESS_GET_RUNTASK_COUNT(runProcess->processStatus) + 1);
#endif /* LOSCFG_KERNEL_CPUP */

    OsCurrProcessSet(newProcess);//將進(jìn)程置為 g_runProcess

    if ((newProcess->timeSlice == 0) && (newProcess->policy == LOS_SCHED_RR)) {//為用完時(shí)間片或初始進(jìn)程分配時(shí)間片
        newProcess->timeSlice = OS_PROCESS_SCHED_RR_INTERVAL;//重新分配時(shí)間片，默認(rèn) 20ms
    }
}

這里再啰嗦一句，系列篇中已經(jīng)說(shuō)了兩個(gè)上下文切換了，一個(gè)是這里的因進(jìn)程切換引起的mmu上下文切換，還一個(gè)是因task切換引起的CPU的上下文切換，還能想起來(lái)嗎？

第二：是加載ELF文件的時(shí)候會(huì)切換mmu，一個(gè)嶄新的進(jìn)程誕生了，具體將在 鴻蒙內(nèi)核源碼分析(啟動(dòng)加載篇) 會(huì)細(xì)講，敬請(qǐng)關(guān)注系列篇?jiǎng)討B(tài)。

其余是虛擬空間回收和刷新空間的時(shí)候，這個(gè)就自己看代碼去吧。

mmu是如何快速的通過(guò)虛擬地址找到物理地址的呢？答案是：TLB,注意上面還有個(gè)TTB，一個(gè)是寄存器, 一個(gè)是cache,別搞混了。

TLB（translation lookaside buffer）

TLB是硬件上的一個(gè)cache，因?yàn)轫?yè)表一般都很大，并且存放在內(nèi)存中，所以處理器引入MMU后，讀取指令、數(shù)據(jù)需要訪(fǎng)問(wèn)兩次內(nèi)存：首先通過(guò)查詢(xún)頁(yè)表得到物理地址，然后訪(fǎng)問(wèn)該物理地址讀取指令、數(shù)據(jù)。為了減少因?yàn)镸MU導(dǎo)致的處理器性能下降，引入了TLB，可翻譯為“地址轉(zhuǎn)換后援緩沖器”，也可簡(jiǎn)稱(chēng)為“快表”。簡(jiǎn)單地說(shuō)，TLB就是頁(yè)表的Cache，其中存儲(chǔ)了當(dāng)前最可能被訪(fǎng)問(wèn)到的頁(yè)表項(xiàng)，其內(nèi)容是部分頁(yè)表項(xiàng)的一個(gè)副本。只有在TLB無(wú)法完成地址翻譯任務(wù)時(shí)，才會(huì)到內(nèi)存中查詢(xún)頁(yè)表，這樣就減少了頁(yè)表查詢(xún)導(dǎo)致的處理器性能下降。詳細(xì)看

照著圖說(shuō)吧，步驟是這樣的。

1.圖中的page table的基地址就是上面TTB寄存器值，整個(gè)page table非常大,有多大接下來(lái)會(huì)講,所以只能存在內(nèi)存里，TTB中只是存一個(gè)開(kāi)始位置而已。

2. 虛擬地址是程序的地址邏輯地址，也就是喂給CPU的地址，必須經(jīng)過(guò)MMU的轉(zhuǎn)換后變成物理內(nèi)存才能取到真正的指令和數(shù)據(jù)。

3.TLB是page table的迷你版，MMU先從TLB里找物理頁(yè)，找不到了再?gòu)膒age table中找，從page table中找到后會(huì)放入TLB中，注意這一步非常非常的關(guān)鍵。因?yàn)閜age table是屬于進(jìn)程的會(huì)有很多個(gè)，而TLB只有一個(gè)，不放入就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程的page table都映射到了同一個(gè)物理頁(yè)框而不自知。一個(gè)物理頁(yè)同時(shí)只能被一個(gè)page table所映射。但除了TLB的唯一性外，要做到不錯(cuò)亂還需要了一個(gè)東西，就是進(jìn)程在映射層面的唯一標(biāo)識(shí)符 -asid。

asid寄存器

asid(Adress Space ID) 進(jìn)程標(biāo)識(shí)符，屬于CP15協(xié)處理器的C13號(hào)寄存器，ASID可用來(lái)唯一標(biāo)識(shí)進(jìn)程，并為進(jìn)程提供地址空間保護(hù)。當(dāng)TLB試圖解析虛擬頁(yè)號(hào)時(shí)，它確保當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程的ASID與虛擬頁(yè)相關(guān)的ASID相匹配。如果不匹配，那么就作為T(mén)LB失效。除了提供地址空間保護(hù)外，ASID允許TLB同時(shí)包含多個(gè)進(jìn)程的條目。如果TLB不支持獨(dú)立的ASID，每次選擇一個(gè)頁(yè)表時(shí)（例如，上下文切換時(shí)），TLB就必須被沖刷（flushed）或刪除，以確保下一個(gè)進(jìn)程不會(huì)使用錯(cuò)誤的地址轉(zhuǎn)換。

TLB頁(yè)表中有一個(gè)bit來(lái)指明當(dāng)前的entry是global(nG=0，所有process都可以訪(fǎng)問(wèn))還是non-global(nG=1，only本process允許訪(fǎng)問(wèn))。如果是global類(lèi)型，則TLB中不會(huì)tag ASID；如果是non-global類(lèi)型，則TLB會(huì)tag上ASID，且MMU在TLB中查詢(xún)時(shí)需要判斷這個(gè)ASID和當(dāng)前進(jìn)程的ASID是否一致，只有一致才證明這條entry當(dāng)前process有權(quán)限訪(fǎng)問(wèn)。

看到了嗎？如果每次mmu上下文切換時(shí)，把TLB全部刷新已保證TLB中全是新進(jìn)程的映射表，固然是可以，但效率太低了！！！進(jìn)程的切換其實(shí)是秒級(jí)亞秒級(jí)的，地址的虛實(shí)轉(zhuǎn)換是何等的頻繁啊，怎么會(huì)這么現(xiàn)實(shí)呢，真實(shí)的情況是TLB中有很多很多其他進(jìn)程占用的物理內(nèi)存的記錄還在，當(dāng)然他們對(duì)物理內(nèi)存的使用權(quán)也還在。所以當(dāng)應(yīng)用程序 new了10M內(nèi)存以為是屬于自己的時(shí)候，其實(shí)在內(nèi)核層面根本就不屬于你，還是別人在用，只有你用了1M的那一瞬間真正1M物理內(nèi)存才屬于你，而且當(dāng)你的進(jìn)程被其他進(jìn)程切換后，很大可能你用的那1M也已經(jīng)不在物理內(nèi)存中了，已經(jīng)被置換到硬盤(pán)上了。明白了嗎？只關(guān)注應(yīng)用開(kāi)發(fā)的同學(xué)當(dāng)然可以說(shuō)這關(guān)我鳥(niǎo)事，給我的感覺(jué)有就行了，但想熟悉內(nèi)核的同學(xué)就必須要明白，這是每分每秒都在發(fā)生的事情。

最后一個(gè)函數(shù)留給大家，asid是如何分配的?

/* allocate and free asid */
status_t OsAllocAsid(UINT32 *asid)
{
    UINT32 flags;
    LOS_SpinLockSave(&g_cpuAsidLock, &flags);
    UINT32 firstZeroBit = LOS_BitmapFfz(g_asidPool, 1UL << MMU_ARM_ASID_BITS);
    if (firstZeroBit >= 0 && firstZeroBit < (1UL << MMU_ARM_ASID_BITS)) {
        LOS_BitmapSetNBits(g_asidPool, firstZeroBit, 1);
        *asid = firstZeroBit;
        LOS_SpinUnlockRestore(&g_cpuAsidLock, flags);
        return LOS_OK;
    }

    LOS_SpinUnlockRestore(&g_cpuAsidLock, flags);
    return firstZeroBit;
}

編輯：hfy