第021课 MMU和Cache

第001节_Cache简述及协处理器指令

如果对MMU ICache有所了解或者知道其概念作用，那么这节课可以跳过，我们很少会使用MMU或ICache

在2440芯片里面除了CPU之外 Instruction MMU 指令MMU Data MMU 数据MMU InstructionC ACHE(16KB) 指令cache Data CACHE (16KB) 数据cache

全都通过CP15协处理器来进行操作这些

协处理器的含义作用 coprocessor协助主处理器做某些事情， 比如在ARM系统中有cp0 – cp15一共16个协处理器，其中cp15负责管理mmu icache

写一个程序，0到100求和

int sum()
{
	int I;
	int sum =0;
	for(i=0; I <= 100; i++)
		sum += I;
	return sum;
}

查看反汇编代码

局部变量保存在栈中，也就是内存

70: 	e50b3014    		str 	r3, [fp,#-20]  //这个应该就是sum 假设地址是A

78： 	e50b3010		str   r3,  [fp, #-16] //这个应该就是I 假设地址是B
					ldr   r3,   [fp, #-16] //也就是地址B中取出值
					cmp  r3, #100 //跟100比较
				//如果大于100程序跳到  a8 如果小于100则执行下面的for循环
从7c:
到 a4
指令保存在内存中，CPU根据这些执行进行操作

1 不断的读写地址A和B

2 不断的执行for循环里面代码

2.1 取指令

2.2 执行指令

问SDRAM非常慢，那么怎么提高程序执行效率？ 先引入一个感念，程序局部性原理

• 时间局部性:在同一段时间里，有极大的概率访问同一地址的指令或数据

(在这个for循环中同一个地址指令经常被访问到)

• 空间局部性: 有极大概率访问到相邻空间的指令/数据

我们在一个比较慢的SDRAM上能不能在CPU上开一个高速缓存，把这些指令放进高速缓存icache

指令cache只有16KB 数据cache也只有16KB 而我们的SDRAM有64MB空间，显然擦车不可能存储SDRAM中所有的内容，它只能存储一部分

cache的示意图

以数据开始为例

• 1 程序要读地址A的数据

ldr r0, [A的数据]

a. cpu以地址A查找cache，一开始cache无数据，导致cache miss

返回一系列的数据，叫做cache line: 8word 32byte

b. cpu把地址A发到SDRAM,读入cache line,成为cache file 把地址A上的数据返回给CPU 2 程序再次读取地址A的数据 a cpu以地址A查找cache,cache hit有数据直接从cache返回数据给CPU

3 程序要读地址B的数据，CPU也是以地址B查找数据，cache hint直接返回

4 cache满了，CPU访问C a cache替换，置换老的数据 b 填充新数据

数据写 write buffer 查看2410芯片手册 附录 appendix4-caches, write buffer 585页

设置为NCNB (no cache no buffer)数据直接到达硬件不经过缓冲器

比如GPFDAT寄存器CPU读寄存器的时候想读到引脚状态，不应该从cache读取老的数据，而是不断直接访问硬件返回最新的数据 对于这些寄存器应该设置为NCNB

不使用cache但数据写到buffer中，CPU就不管了 由write buffer直接进行写操作 CPU直接操作下一条指令

第一种不使用cache buffer 适用于直接硬件操作 gpio 得到最新数据 第二种 不使用cache使用write buffer， cpu把写发给buffer，cpu就可以直接下一条指令 第三种 WT 写通方式 使用cache不使用buffer，马上写硬件 CPU直接写给write buffer 由write执行缓慢写操作 第四种 写回方式 miss: cpu数据直接到达write buffer hit: cpu数据写入cache标记为dirty，让后会在合适的时机由write buffer写给硬件

合适的时机 cache替换时dirty会写给write buffer写给硬件 或者强制Flash cache 写给write buffer 写给硬件

下节讲协处理指令

第002节_协处理器指令_开启ICache代码示例

CPU中还有许多协处理器来协助主处理功能 比如2440有CP0 ~ CP15一共16个协处理器

CP15管理cache mmu 我们启动cache需要操作CP15 协处理器指令 先看硬件结构

CP15中也有许多寄存器 C0 ~ C15 启动C7’ 是备份寄存器

现在主CPU中某一个值R0传给CP15中的某一个寄存器

我们需要引入协处理器指令 mrc mov r1, r0 结果是r0 =传给=> r1 mrc c coprocessor =传给=> register

mcr 是把主处理器的值发给协处理器 register =传给=> coprocessor 查看一下语法格式 在2440中搜索mrc

得到语法格式

<MCR|MRC>{cond} p#,<expression1>,Rd,cn,cm{,<expression2>} 举个例子

mcr P15, 0, r1,c1 把主处理器的值发给协处理器 expression1 值设置为0，表示用不到 r1 是主cpu寄存器里面的值 c1 是cp15寄存器里的值

cm, 用不到，写为c0 expression2 值设置为0，表示用不到 cm和expression2用来区分哪一个c1，一般写为c0, 0

这条命令表示主cpu中r1 值写入 协处理器cp15 中的c1寄存器

反过来要从cp15寄存器读到主cpu寄存器 mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0 这条命令表示协处理器cp15 c1寄存器的值读出来写入主cpu的r1寄存器

2410手册中有讲cp15寄存器的作用

其中寄存器1控制寄存器 下图为介绍控制寄存器1的功能

bit12位是控制cache指令的开启或者关闭，我们等下把bit 12设置为1

c7里面有许多不同的寄存器，对应不同的功能

寄存器7表示用来操作cache，根据语法规则cm{,<expression2>} 来区分选择那个c7

接下来写程序使能cache 注意2440里有data cache和指令cache 其中data cache要启用地址映射才可以使用，只能使用指令cache

打开start.s

reset:
	/* 关闭看门狗 */
	ldr r0, =0x53000000
	ldr r1, =0
	str r1, [r0]

	/* 设置MPLL, FCLK : HCLK : PCLK = 400m : 100m : 50m */
	/* LOCKTIME(0x4C000000) = 0xFFFFFFFF */
	ldr r0, =0x4C000000
	ldr r1, =0xFFFFFFFF
	str r1, [r0]

	/* CLKDIVN(0x4C000014) = 0X5, tFCLK:tHCLK:tPCLK = 1:4:8  */
	ldr r0, =0x4C000014
	ldr r1, =0x5
	str r1, [r0]

	/* 设置CPU工作于异步模式 */
	mrc p15,0,r0,c1,c0,0
	orr r0,r0,#0xc0000000   //R1_nF:OR:R1_iA
	mcr p15,0,r0,c1,c0,0

	/* 设置MPLLCON(0x4C000004) = (92<<12)|(1<<4)|(1<<0) 
	 *  m = MDIV+8 = 92+8=100
	 *  p = PDIV+2 = 1+2 = 3
	 *  s = SDIV = 1
	 *  FCLK = 2*m*Fin/(p*2^s) = 2*100*12/(3*2^1)=400M
	 */
	ldr r0, =0x4C000004
	ldr r1, =(92<<12)|(1<<4)|(1<<0)
	str r1, [r0]

	/* 一旦设置PLL, 就会锁定lock time直到PLL输出稳定
	 * 然后CPU工作于新的频率FCLK
	 */
		/*
		使能icache
	*/
	bl enable_icache

	/* 设置内存: sp 栈 */
	/* 分辨是nor/nand启动
	 * 写0到0地址, 再读出来
	 * 如果得到0, 表示0地址上的内容被修改了, 它对应ram, 这就是nand启动
	 * 否则就是nor启动
	 */
	mov r1, #0
	ldr r0, [r1] /* 读出原来的值备份 */
	str r1, [r1] /* 0->[0] */ 
	ldr r2, [r1] /* r2=[0] */
	cmp r1, r2   /* r1==r2? 如果相等表示是NAND启动 */
	ldr sp, =0x40000000+4096 /* 先假设是nor启动 */
	moveq sp, #4096  /* nand启动 */
	streq r0, [r1]   /* 恢复原来的值 */

	bl sdram_init
	//bl sdram_init2	 /* 用到有初始值的数组, 不是位置无关码 */

	/* 重定位text, rodata, data段整个程序 */
	bl copy2sdram

	/* 清除BSS段 */
	bl clean_bss

	/* 复位之后, cpu处于svc模式
	 * 现在, 切换到usr模式
	 */
	mrs r0, cpsr         /* 读出cpsr */
	bic r0, r0, #0xf     /* 修改M4-M0为0b10000, 进入usr模式 */
	bic r0, r0, #(1<<7)  /* 清除I位, 使能中断 */
	msr cpsr, r0

	/* 设置 sp_usr */
	ldr sp, =0x33f00000

	ldr pc, =sdram
sdram:
	bl uart0_init

	bl print1
	/* 故意加入一条未定义指令 */
und_code:
	.word 0xdeadc0de  /* 未定义指令 */
	bl print2

	swi 0x123  /* 执行此命令, 触发SWI异常, 进入0x8执行 */

	//bl main  /* 使用BL命令相对跳转, 程序仍然在NOR/sram执行 */
	ldr lr, =halt
	ldr pc, =main  /* 绝对跳转, 跳到SDRAM */

halt:
	b halt
如何使能icache 打开2410芯片手册
enable_icache:
	/* 设置协处理器使能icache */
	mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
	orr r0, r0, #(1<<12)  /* r0 = r0 or (1<<12) */
	mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0	//吧修改好的r0写给cp15的c1寄存器
	mov pc, lr

刷屏效率变快

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