MIPS架构深入理解3-协处理器0

1 引言

1.1 什么是协处理器0

前面我们已经对MIPS架构CPU有了粗略的了解。显然，它提供了众多优秀的功能。但是，应用的场景不同，往往需要CPU做的事情也不一样，这就需要必须能够对CPU以及它提供的功能进行有选择的配置。这是协处理器诞生的根本原因。

ARM架构也使用协处理器进行控制，称为协处理器15,（cp15）。

MIPS架构CPU使用协处理器0进行CPU的配置和管理。那么，它到底能够干什么呢？

• CPU配置
• Cache控制
• 异常、中断控制： 中断或异常发生时的行为和处理的定义。
• 内存管理单元控制
• 其它工作： 定时器（timer）、事件计数器（event）、奇偶/错误校验。一些与CPU紧密相关，而又不便通过I/O进行访问的功能，都会被添加到协处理器0中进行控制。

1.2 包含的寄存器

对于相关的寄存器，在此，不再详述。使用时，参阅相关的数据手册即可。

2 CPU控制指令

2.1 写CPU控制寄存器的指令

mtc0 s, <n>     # 把数据拷贝到协处理器0

这条指令的作用是把通用寄存器s中的值拷贝到协处理器的寄存器n中，数据位数是32位。大部分的协处理器寄存器是32位的，对于少数的64位协处理器寄存器可以使用dmtc0指令进行操作。这是设置CPU控制寄存器的唯一方法。

32位架构的时候，最多有32个协处理器寄存器。但是MIPS32/64架构扩展到了256个寄存器，为了向前兼容，在指令中添加select域来控制多个寄存器。比如

mtc0 s, $12, 1

select域的值等于1，其作用就是把通用寄存器s的值写入到协处理器的寄存器12组中的编号为1的寄存器中。也就是说，寄存器12可以有多个具体的寄存器，使用select域选择对应的哪个寄存器。

2.2 读取CPU控制寄存器的指令

mfc0 d, $n      # 把协处理器第n个寄存器中的值写入到通用寄存器d中

上述指令的作用是把协处理器0中的第n个寄存器中的内容读取到通用寄存器d中。

2.3 特殊的控制指令eret

所有的架构的CPU在面对特权等级切换的时候（一般就是异常返回时），都会面临一个问题：一方面，在返回用户态程序之前就降低特权等级，那么会立即引发一个异常指令访问的二次异常；另一方面，如果返回到用户程序之后再降低特权等级，那么可能会被恶意程序利用内核态运行某些指令。解决这个问题的办法就是，保证异常返回时的指令是原子操作。MIPS架构的CPU提供了这个指令eret。

3 特殊寄存器的使用场景

1. 上电后：需要设置SR寄存器，使CPU进入一个可工作的状态。
2. 处理异常： 在异常入口处，不会保存任何程序计数器，只把返回地址存入EPC寄存器中。MIPS架构CPU硬件对于堆栈一无所知，所以发生异常时，无法打印堆栈中的数据。（ARM和X86硬件可以保存堆栈，所以，发生异常时，可以打印堆栈中的关键数据）。对于MIPS架构，程序发生异常时，只能看EPC寄存器中的值，然后通过反汇编得到执行代码的地址，从而获取到导致异常的代码大概位置。充分利用异常发生时的信息，是调试程序的一种有效手段。 MIPS架构也为异常处理程序保留了2个寄存器v0和v1。我们的程序可以把一些异常需要的重要信息保存在这儿。但是，通用寄存器极易发生变化，大部分时候，这两个寄存器不建议使用。 可以通过查看Cause寄存器，判断属于哪类异常，从而做相应的处理。
3. 从异常返回时： 保存返回地址到EPC寄存器中。 不论是何种异常，返回时，都要恢复SR寄存器和特权等级、使能中断并消除异常带来的影响。最后eret指令返回用户程序并复位SR(EXL)寄存器。
4. 中断： 通过SR寄存器中的中断控制位，可以设置哪些中断具有更高的优先级。虽然，MIPS架构硬件没有提供中断优先级，但是软件可以任意设置。
5. 一些特殊的指令： 比如系统调用（syscall）和调试断点（break），还有一些CPU实现了一些特殊的指令。

4 CP0协处理器操作时可能发生的问题

我们知道CPU的指令是按照流水线的方式执行。有可能，操作协处理器的指令还没执行彻底，其它指令就已经开始执行了。如何才能保证CP0的操作生效后，再执行相关指令呢？

因为MIPS架构的设计理念是 硬件尽量简单，辅以软件实现。所以，早期的软件开发人员使用nop操作，保证操作协处理器的正确性。但是，这无疑增加了软件开发人员的难度。于是，MIPS32/64架构定义了新的指令：避险指令。

三个避险指令：

1. ehb指令 消除执行危险。早期的MIPS架构CPU把这个当做一个nop操作。
2. jr.hb和jalr.hb指令 跳转寄存器指令，用来消除指令危险。最常见的使用方式就是替换普通的子程序返回和子程序调用指令。 旧架构上，这两个指令还是会被解释成jr和jalr指令。在这些CPU上，指令会清除CPU的管道流水线。而且大部分时候，对于不遵守MIPS32/64架构规范的CPU还会提供必要的延时。

4.1 指令危险

指令危险和用户危险通常发生在改变CP0状态的时候（比如，改变某个寄存器、TLB项、或者一个cache行），这会影响我们普通的取值指令（在某些情况下，还会影响load/store指令访问内存的方式）。

我们必须规避这种不可控的风险。在改变CP0操作之后，添加危险屏障指令，消除这种可能产生的不可控的危险。

这类危险都有：

1. 改变TLB项： 在受影响的内存页上取指、加载和存储数据。
2. 改变EntryHi寄存器（ASID域） 非全局映射内存区域上的取指、加载和存储数据。
3. 改变到ERL模式 从kuseg内存区域取指、加载和存储数据。
4. cache指令改变cache行 在受影响的line上取指、加载和存储数据。
5. 改变watchpoint寄存器 在匹配的地址上取指、加载和存储数据
6. 影子寄存器设置发生改变 任何使用通用寄存器的情况（执行危险）
7. 修改CP0寄存器，禁止中断 仍然能够被中断的指令（异常危险）

它们中大部分都是指令危险，可以使用jr.hb或jalr.hb指令避免这种指令危险。

4.2 CP0指令间的危险

mfc0、tlbwi、tlbwr、tlbr指令、读取CP0的cache指令以及tlbp指令都依赖于CP0寄存器中的值。所以，这些指令执行时，有可能发生执行危险。为了保证安全，可以在

可以在读取CP0寄存器值的指令之前，添加ehb指令。