arm v8r中MCRR指令的详细用法

在ARMv8-R架构中，MCRR指令（Move to Coprocessor from two Registers） 用于将两个32位ARM寄存器的数据组合成一个64位值，并传输到协处理器（通常是CP15）的寄存器中。该指令主要用于系统控制、内存管理和性能监控等场景。以下是详细解析：

---

⚙️ 一、指令格式与参数解析

MCRR{<cond>} p15, <opc1>, <Rt>, <Rt2>, <CRm>

• {<cond>}：可选条件码（如EQ、NE），满足条件时执行。
• p15：目标协处理器编号（固定为系统控制协处理器CP15）。
• <opc1>：操作码1（范围0-15），指定协处理器操作类型。
• <Rt>：第一个源ARM寄存器（如R0-R14），提供64位数据的低32位。
• <Rt2>：第二个源ARM寄存器，提供64位数据的高32位。
• <CRm>：目标协处理器寄存器（如c0-c15），存放组合后的64位值。

📌 关键点：

• Rt和Rt2必须为相邻寄存器（如R0+R1或R2+R3），否则行为未定义。
• opc1需参考芯片手册，不同功能对应不同值（见下表）。

---

⚡️ 二、典型应用场景

1. 访问64位系统寄存器

ARMv8-R中部分寄存器（如性能计数器PMCCNTR）需以64位形式访问。
示例：写入64位性能计数寄存器

MCRR p15, 0, R0, R1, c14    ; R0(低32位) + R1(高32位) → PMCCNTR

2. 缓存与TLB维护

用于批量无效化缓存或TLB条目：

MCRR p15, 0, R0, R1, c8     ; 无效化TLB，R0/R1指定地址范围

3. 内存屏障与同步

配置内存域权限或屏障操作：

MCRR p15, 0, R2, R3, c3     ; 设置DACR（域访问控制寄存器）

4. 性能监控单元（PMU）

初始化64位事件计数器：

MCRR p15, 4, R4, R5, c9     ; 写入PMEVCNTRn计数器（opc1=4）

---

🔍 三、参数组合速查表（CP15协处理器）

功能	<opc1>	<CRm>	指令示例	说明
PMCCNTR (周期计数器)	0	c14	MCRR p15,0,R0,R1,c14	写入64位性能计数
TLBIALLIS (TLB无效化)	0	c8	MCRR p15,0,R0,R1,c8	按地址范围无效化TLB
DACR (域控制)	0	c3	MCRR p15,0,R2,R3,c3	设置内存域权限
PMEVCNTRn (事件计数器)	4-7	c9	MCRR p15,4,R4,R5,c9	配置PMU事件计数器

💡 注：opc1的具体值需查阅芯片手册（如Cortex-R82 TRM）。

---

⚠️ 四、使用约束与注意事项

1. 特权级要求：
   MCRR只能在特权模式（PL1或更高）执行，用户模式调用触发未定义指令异常。

2. 寄存器配对限制：
   <Rt>和<Rt2>必须满足：

   • Rt2 = Rt + 1（如R0+R1有效，R0+R2无效）。
   • 不能使用PC（R15）。

3. 内存屏障依赖：
   修改关键寄存器后需插入屏障指令：

   MCRR p15, 0, R0, R1, c8   ; 无效化TLB
   DSB                         ; 保证操作完成
   ISB                         ; 清空流水线
   

4. 协处理器差异：

   • CP15寄存器功能由ARM架构定义（如c8对应TLB操作）。
   • 其他协处理器（如p14调试）由芯片厂商自定义，需查手册。

---

🛠️ 五、完整示例：配置64位PMCCNTR

; 1. 准备64位计数值（低32位在R0，高32位在R1）
MOVW R0, #0x5678      ; 低32位
MOVT R0, #0x1234      
MOVW R1, #0xABCD      ; 高32位
MOVT R1, #0xEF01

; 2. 写入PMCCNTR
MCRR p15, 0, R0, R1, c14   ; 写入64位性能计数器

; 3. 插入屏障确保生效
DSB                         ; 数据同步
ISB                         ; 指令流水线刷新

---

❗ 六、常见问题与调试

1. 未定义指令异常：

   • 检查当前模式是否为特权模式（如SVC、IRQ）。
   • 确认协处理器p15是否存在（ARMv8-R必须实现）。

2. 写入无效：

   • 检查寄存器是否配对（如R0+R1有效，R0+R2无效）。
   • 确认opc1和CRm组合是否支持（参考芯片手册）。

3. 工具链支持（GCC内联汇编）：

   void write_pmccntr(uint32_t low, uint32_t high) {
     __asm__ volatile(
       "MCRR p15, 0, %0, %1, c14 \n" 
       : : "r" (low), "r" (high) : "memory"
     );
   }
   

---

💎 总结

MCRR在ARMv8-R中的核心价值是高效操作64位系统寄存器：

1. 性能监控：精准控制64位计数器（如PMCCNTR）。
2. 内存管理：批量维护TLB/缓存，提升实时性。
3. 硬件抽象：通过协处理器隔离底层硬件差异。
   开发者需关注寄存器配对规则、特权级限制及屏障插入时机，确保系统可靠性与实时性。