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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