概述:在基于ARM的嵌入式应用系统中，存储系统的操作通常是由协处理器CP15完成的。CP15包含16个32位的寄存器，其编号为0～15。
而访问CP15寄存器的指令主要是MCR和MRC这两个指令。
例如协处理器15（CP15），ARM处理器使用协处理器15的寄存器来控制cache、TCM和存储器管理。
而访问CP15寄存器的指令主要是MCR和MRC这两个指令:
MRC：协处理器寄存器到ARM处理器寄存器的数据传送指令(读出协处理器寄存器)。
MCR：ARM处理器寄存器到协处理器寄存器的指令(写入协处理器寄存器)。
1.MRC/MCR指令读取CP15寄存器格式:
MRC{cond} p15,<Opcode_1>,<Rd>,<CRn>,<CRm>,<Opcode_2>
MCR{cond} p15,<Opcode_1>,<Rd>,<CRn>,<CRm>,<Opcode_2>
cond：为指令执行的条件码。当cond忽略时指令为无条件执行。
Opcode_1：协处理器的特定操作码. 对于CP15寄存器来说，opcode1=0 Rd：作为源寄存器的ARM寄存器，其值将被传送到协处理器寄存器中，或者将协处理器寄存器的值传送到该寄存器里面 ,通常为R0 CRn：作为目标寄存器的协处理器寄存器，其编号是C~C15。 CRm：协处理器中附加的目标寄存器或源操作数寄存器。如果不需要设置附加信息，将CRm设置为c0，否则结果未知 Opcode_2：可选的协处理器特定操作码。（用来区分同一个编号的不同物理寄存器，当不需要提供附加信息时，指定为0）1.1 示例:
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 //将 CP15 的寄存器 C1 的值读到 r0 中
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 //关闭ICaches和DCaches
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 //使无效整个数据TLB和指令TLB
1.2 在C函数中使用汇编示例：
__asm__( "mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0\n" //使用__asm__ 可以在C函数中执行汇编语句
"orr r1, r1, #0xc0000000\n" "mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0\n" :::"r1" //:::"r1" 向GCC声明：我对r1作了改动
);
2.CP15中的寄存器介绍
CP15 的寄存器列表如表所示：
| 寄存器编号 | 基本作用 | 在 MMU 中的作用 | 在 PU 中的作用 |
| 0 | ID 编码（只读） | ID 编码和 cache 类型 |
|
| 1 | 控制位（可读写） | 各种控制位 |
|
| 2 | 存储保护和控制 | 地址转换表基地址 | Cachability 的控制位 |
| 3 | 存储保护和控制 | 域访问控制位 | Bufferablity 控制位 |
| 4 | 存储保护和控制 | 保留 | 保留 |
| 5 | 存储保护和控制 | 内存失效状态 | 访问权限控制位 |
| 6 | 存储保护和控制 | 内存失效地址 | 保护区域控制 |
| 7 | 高速缓存和写缓存 | 高速缓存和写缓存控制 |
|
| 8 | 存储保护和控制 | TLB 控制 | 保留 |
| 9 | 高速缓存和写缓存 | 高速缓存锁定 |
|
| 10 | 存储保护和控制 | TLB 锁定 | 保留 |
| 11 | 保留 |
|
|
| 12 | 保留 |
|
|
| 13 | 进程标识符 | 进程标识符 |
|
| 14 | 保留 |
|
|
| 15 | 因不同设计而异 | 因不同设计而异 | 因不同设计而异
|
2.1 CP15 的寄存器 C0
CP15 中寄存器 C0 对应两个标识符寄存器，由访问 CP15 的寄存器指令指定要访问哪个具体物理寄存器，与两个标识符寄存器的对应关系如下所示：
| opcode2 编码 | 对应的标识符号寄存器 |
| 0b000 | 主标识符寄存器 |
| 0b001 | cache类型标识符寄存器 |
| 其 他 | 保留 |
1、主标识符寄存器
指令格式：MRC P15，0，R0，C0，C0，0 #将主标示符寄存器的内容读到AMR寄存器R0中 主标示符的编码格式对于不同的ARM处理器版本有所不同。对于AMR7之后的处理器，其主标示符编码格式如下 ：| 30～24 | 23～20 | 19～16 | 15～4 | 3～0 |
| 由生产商确定 | 产品子编号 | ARM 体系版本号 | 产品主编号 | 处理器版本号 |
各部分的编码详细含义如下表所示：
2、cache类型标识符寄存器 指令格式：MRC P15，0，R0，C0，C0，1 #将cache类型标识符寄存器的内容读到AMR寄存器R0中 ARM 处理器中 cache 类型标识符寄存器的编码格式如下所示：| 31~29 | 28~25 | 24 | 23~12 | 11~0 |
| 000 | 属性字段 | S | 数据 cache 相关属性 | 指令cache 相关属性 |
各部分的编码详细含义如下表所示：
| 位 | 含义 |
| 位[28: 25] | 主要用于定义对于写回类型的cache的一些属性 |
| 位[24] | 定义系统中的数据 cache 和指令 cache 是分开的还是统一的： 0: 系统的数据 cache 和指令 cache 是统一的 1: 系统的数据 cache 和指令 cache 是分开的 |
| 位 [23: 12] | 定义数据 cache 的相关属性,如果位 [24] 为 0 ，本字段定义整个cache 的属性 |
| 位 [31: 24] | 定义指令 cache 的相关属性,如果位 [24] 为 0 ，本字段定义整个cache 的属性 |
控制字段位 [28 ： 25] 的含义
主要用于定义对于写回类型的cache的一些属性，cache 类型标识符寄存器的控制字段位 [28 ： 25]：| 编 码 | cache 类型 | cache 内容清除方法 | cache 内容锁定方法 |
| 0b0000 | 写通类型 | 不需要内容清除 | 不支持内容锁定 |
| 0b0001 | 写回类型 | 数据块读取 | 不支持内容锁定 |
| 0b0010 | 写回类型 | 由寄存器 C7 定义 | 不支持内容锁定 |
| 0b0110 | 写回类型 | 由寄存器 C7 定义 | 支持格式 A |
| 0b0111 | 写回类型 | 由寄存器 C7 定义 | 支持格式 B |
控制字段位 [23 ： 12] 及控制字段位 [11 ： 0] 含义
[23：12]用于定义数据cache的属性，[11: 0]用于定义指令cache的属性。编码格式如下：| 11~9 | 8~6 | 5~3 | 2 | 1~0 |
| 000 | cache 容量 | cache 相联特性 | M | 块大小 |
其中bits[1:0]含义如下：
| 编 码 | cache 块大小 |
| 0b00 | 2 个 字（ 8 字节） |
| 0b01 | 4 个 字（ 16 字节） |
| 0b10 | 8 个 字（ 32 字节） |
| 0b11 | 16 个 字（ 64 字节） |
其中bits[5:3]含义如下：
| 编 码 | M=0 时含义 | M=1 时含义 |
| 0b000 | 1 路 相联（直接映射） | 没有 cache |
| 0b001 | 2 路 相联 | 3 路 相联 |
| 0b010 | 4 路 相联 | 6 路 相联 |
| 0b011 | 8 路 相联 | 12 路 相联 |
| 0b100 | 16 路 相联 | 24 路 相联 |
| 0b101 | 32 路 相联 | 48 路 相联 |
| 0b110 | 64 路 相联 | 96 路 相联 |
| 0b111 | 128 路相联 | 192 路相联 |
其中bits[8:6]含义如下：
| 编 码 | M=0 时含义 | M=1时含义 |
| 0b000 | 0.5KB | 0.75 KB |
| 0b001 | 1 KB | 1.5 KB |
| 0b010 | 2 KB | 3 KB |
| 0b011 | 4 KB | 6 KB |
| 0b100 | 8 KB | 12 KB |
| 0b101 | 16 KB | 24 KB |
| 0b110 | 32 KB | 48 KB |
| 0b111 | 64 KB | 96 KB |
2.2 CP15 的寄存器 C1
CP15中的寄存器C1是一个控制寄存器，它包括以下控制功能：
- 禁止或使能MMU以及其他与存储系统相关的功能
- 配置存储系统以及ARM处理器中的相关部分的工作
指令如下：
mrc p15, 0, r0, c1, c0{, 0} ；将 CP15 的寄存器 C1 的值读到 r0 中 mcr p15, 0, r0, c1, c0{, 0} ；将 r0 的值写到 CP15 的寄存器 C1 中 CP15 中的寄存器 C1 的编码格式及含义说明如下：| C1中的控制位 | 含义 |
| M（bit[0]） | 0 ：禁止 MMU 或者 PU 1 ：使能 MMU 或者 PU 如果系统中没有MMU及PU，读取时该位返回0，写入时忽略该位。 |
| A（bit[1]） | 0 ：禁止地址对齐检查 1 ：使能地址对齐检查 |
| C（bit[2]） | 当数据cache和指令cache分开时，本控制位禁止/使能数据cache。当数据cache和指令cache统一时，该控制位禁止/使能整个cache。 0 ：禁止数据 / 整个 cache 1 ：使能数据 / 整个 cache 如果系统中不含cache，读取时该位返回0.写入时忽略 当系统中不能禁止cache 时，读取时返回1.写入时忽略 |
| W（bit[3]） | 0 ：禁止写缓冲 1 ：使能写缓冲 如果系统中不含写缓冲时，读取时该位返回0.写入时忽略 当系统中不能禁止写缓冲时，读取时返回1.写入时忽略 |
| P（bit[4]） | 对于向前兼容26位地址的ARM处理器，本控制位控制PROG32控制信号 0 ：异常中断处理程序进入 32 位地址模式 1 ：异常中断处理程序进入26 位地址模式 如果本系统中不支持向前兼容26位地址，读取该位时返回1，写入时忽略 |
| D（bit[5]） | 对于向前兼容26位地址的ARM处理器，本控制位控制DATA32控制信号 0 ：禁止 26 位地址异常检查 1 ：使能 26 位地址异常检查 如果本系统中不支持向前兼容26位地址，读取该位时返回1，写入时忽略 |
| L（bit[6]） | 对于ARMv3及以前的版本，本控制位可以控制处理器的中止模型 0 ：选择早期中止模型 1 ：选择后期中止模型 |
| B（bit[7]） | 对于存储系统同时支持big-endian和little-endian的ARM系统，本控制位配置系统的存储模式 0 ： little endian 1 ： big endian 对于只支持little-endian的系统，读取时该位返回0，写入时忽略 对于只支持big-endian的系统，读取时该位返回1，写入时忽略 |
| S（bit[8]） | 在基于 MMU 的存储系统中，本位用作系统保护 |
| R（bit[9]） | 在基于 MMU 的存储系统中，本位用作 ROM 保护 |
| F（bit[10]） | 由生产商定义 |
| Z（bit[11]） | 对于支持跳转预测的ARM系统，本控制位禁止/使能跳转预测功能 0 ：禁止跳转预测功能 1 ：使能跳转预测功能 对于不支持跳转预测的ARM系统，读取该位时返回0，写入时忽略 |
| I（bit[12]） | 当数据cache和指令cache是分开的，本控制位禁止/使能指令cache 0 ：禁止指令 cache 1 ：使能指令 cache 如果系统中使用统一的指令cache和数据cache或者系统中不含cache，读取该位时返回0，写入时忽略。当系统中的指令cache不能禁止时，读取时该位返回1，写入时忽略 |
| V（bit[13]） | 对于支持高端异常向量表的系统，本控制位控制向量表的位置 0 ：选择低端异常中断向量 0x0~0x1c 1 ：选择高端异常中断向量0xffff0000~ 0xffff001c 对于不支持高端异常向量表的系统，读取时该位返回0，写入时忽略 |
| PR（bit[14]） | 如果系统中的cache的淘汰算法可以选择的话，本控制位选择淘汰算法 0 ：常规的 cache 淘汰算法，如随机淘汰 1 ：预测性淘汰算法，如round-robin 淘汰算法 如果系统中cache的淘汰算法不可选择，写入该位时忽略。读取该位时，根据其淘汰算法是否可以比较简单地预测最坏情况返回0或者1 |
| L4（bit[15]） | 对于ARM版本5及以上的版本，本控制位可以提供兼容以前的ARM版本的功能 0 ：保持 ARMv5 以上版本的正常功能 1 ：将 ARMv5 以上版本与以前版本处理器 兼容，不根据跳转地址的 bit[0] 进行 ARM 指令和 Thumb 状态切换： bit[0] 等于 0 表示 ARM 指令，等于 1 表示 Thumb 指令 |
| Bits[31:16]） | 这些位保留将来使用，应为UNP/SBZP |
2.3 CP15 的寄存器 C2
C2寄存器的别名：Translation table base (TTB) register
C2寄存器用来保存页表的基地址，即一级映射描述符表的基地址。其编码格如下所示：| 31 0 |
| 一级映射描述符表的基地址（物理地址） |
2.4 CP15 的寄存器 C3
CP15 中的寄存器 C3 定义了 ARM 处理器的 16 个域的访问权限。
在 CP15的C3寄存器中，划分了 16个域，每个区域由两位构成，这两位说明了当前内存的检查权限： 00：当前级别下，该内存区域不允许被访问，任何的访问都会引起一个domain fault，这时 AP位无效 01：当前级别下，该内存区域的访问必须配合该内存区域的段描述符中AP位进行权检查 10：保留状态（我们最好不要填写该值，以免引起不能确定的问题） 11：当前级别下，对该内存区域的访问都不进行权限检查。 这时 AP位无效 所以只有当相应域的编码为 01 时，才会根据 AP位 和协处理器CP15中的C1寄存器的R,S位进行权限检查2.5 CP15 的寄存器 C5
CP15 中的寄存器 C5 是失效状态寄存器，分为指令状态失效和数据状态失效。
MRC p15, 0, , c5, c0, 0 访问数据失效状态寄存器 MRC p15, 0, , c5, c0, 1 访问指令状态失效寄存器 编码格式如下所示：| 31~9 | 8 | 7~4 | 3~0 |
| UNP/SBZP | 0 | 域标识 | 状态标识 |
其中，域标识bit[7:4]表示存放引起存储访问失效的存储访问所属的域。状态标识 bit[3:0] 表示放引起存储访问失效的存储访问类型，该字段含义如下表所示（优先级由上到下递减）。
2.4 CP15的寄存器C6
CP15 中的寄存器 C6 是失效地址寄存器，其中保存了引起存储访问失效的地址，分为数据失效地址寄存器和指令失效地址寄存器。
MRC p15, 0, , c6, c0, 0 访问数据失效地址寄存器 MRC p15, 0, , c6, c0, 2 访问指令失效地址寄存器 编码格式如下所示：| 31 0 |
| 失效地址（虚拟地址） |
2.5 CP15的寄存器C7
CP15 的 C7 寄存器用来控制 cache 和写缓存，它是一个只写寄存器，读操作将产生不可预知的后果。访问 CP15 的 C7 寄存器的指令格式为：mcr p15, 0, Rd, CRn, CRm, opcode_2 。具体含义如下表所示（表中的数据是指Rd中的数据）
2.6 CP15的寄存器C8
系统协处理器CP15的寄存器C8就是清除TLB内容的相关操作。它是一个只写的寄存器。
MCR p15，0，Rd，c8，CRm，opcode_2 Rd中为要写入C8寄存器的内容，CRm和opcode_2的不同组合决定指令执行的不同操作。2.7 CP15的寄存器C12
CP15寄存器C12用来设置异常向量基地址，其编码格式如下所示：
MCR p15, 0, , c12, c0, 0 ；Rd中存放要修改的异常向量基地址| 31~5 | 4~0 |
| 异常向量基地址 | Reserve |
注：只有ARM11和cortex-a 可以任意修改异常向量基地址。arm7,ARM9,ARM10只可以在0地址或0xffff0000中
2.8 CP15的寄存器C13
CP15中的寄存器C13用于快速上下文切换。其编码格式如下所示
| 31~25 | 24~0 |
| PID | ０ |
其中， 在读操作时，结果中位[31：:25]返回PID，其他位 的数值是不可以预知的。写操作将设置PID的值。当PID的值为0时，MVA = VA | (0（PID）<<25)，MVA=VA,相当于禁止了FCSE。系统复位后PID即为0。当PID的值不为0时，相当于使能了FCSE。