Kernel中如何操作CPU及外设寄存器

- 日理万妓 2022-09-01 15:49 185阅读 0赞

ARM Coretex-A9寄存器

对于ARM Coretex-A9处理器而言其寄存器主要包括两大部分，分别是通用寄存器以及系统控制寄存器。

![9ea68f68419353cfc18c82e6c34aade6.png][]

上图所示的通用寄存器，主要是在代码运行过程中使用到，CPU通过该部分寄存器执行代码并完成相关的运算操作。对于调试过程中比较关心的是SP、LR、PC以及R0~R3几个寄存器。而其他寄存器在特定场景下也有应用，例如U-Boot在代码重定向的过程中使用到了R9寄存器来暂存gd\_t的地址。调试过程中，当代码崩溃的时候我们第一步是看PC是多少，以此通过追踪反汇编文件来定位到具体的指令处。

对于系统控制寄存器而言，其实现了CPU的一些控制以及状态指示等功能，例如通过ACTLR寄存器完成多核的配置，通过CPSR寄存器实现CPU的逻辑运算状态指示等。CP15寄存器一共是16组寄存器，通过MRC/MCR指令并结合不同的指令码实现寄存器的访问。

![aa836a0269bd83b1ab76b114c67e93a0.png][]

MRC和MCR指令如下图所示：

![507128029dbeea342560f12265409abe.png][]

![580a1162a73827391c951c8090e8afe9.png][]

CPU的取指、运算过程如下图所示，除了要操作内存之外，内部的寄存器组也会同步进行更新。

![37b37aab4064aee2e258ec7fd5e20b6d.png][]

调试工具操作CPU寄存器

在芯片开发验证的过程中，不可避免的会遇到CPU内部逻辑实现异常而导致代码无法正常得到执行，此时需要定位故障的原因，一般可以通过JLINK、DSTREAM工具获取、操作CPU的寄存器。对于程序已经执行出错的场景而JTAG仍然可以连接上的场景，使用JLINK工具可以获取到故障现场信息。JLINK连接上之后输入Regs命令，可以dump出CPU的寄存器值：

![bb35605b08c6ea0d5c5fed7927dc9ab9.png][]

当希望改写CPU通用寄存器的时候，可以通过wreg来实现:

![6e7ff810855a6e4b37e4b94a0f15caa8.png][]

同样，CP15寄存器也可以操作：

![0e36bbf2a4fc91600fa8784614357b77.png][]

C代码中内嵌汇编

当通过故障现场不能得知故障原因的时候，需要追踪CPU执行过程中寄存器的变化状态，例如Kerne的用户空间程序申请页表的过程中，我们可以通过CP15的ttbr0寄存器获取页表地址。

1#define _ARM_MRC(coproc, opcode1, Rt, CRn, CRm, opcode2)        \
     2    asm volatile ("mrc p" #coproc ", " #opcode1 ", %[output], c" #CRn ", c" #CRm ", " #opcode2 "\n" : [output] "=r" (Rt))
     3#define _ARM_MCR(coproc, opcode1, Rt, CRn, CRm, opcode2)        \
     4    asm volatile ("mcr p" #coproc ", " #opcode1 ", %[input], c" #CRn ", c" #CRm ", " #opcode2 "\n" :: [input] "r" (Rt))
     5
     6void func1(void)
     7{
     8        u32 ttbr0,ttbr1;
     9        _ARM_MRC(15, 0, ttbr0, 2, 0, 0);
    10        _ARM_MRC(15, 0, ttbr1, 2, 0, 1);
    11        printk("ttbr0 0x%08x ttbr1 0x%08x\n", ttbr0, ttbr1);
    12}

对于其他寄存器的操作，U-Boot中\\arch\\arm\\include\\asm\\system.h的代码可以借鉴，通过移植该部分代码可以实现我们的需求：

1static inline unsigned int get_cr(void)
     2{
     3    unsigned int val;
     4
     5    if (is_hyp())
     6        asm volatile("mrc p15, 4, %0, c1, c0, 0 @ get CR" : "=r" (val)
     7                                  :
     8                                  : "cc");
     9    else
    10        asm volatile("mrc p15, 0, %0, c1, c0, 0 @ get CR" : "=r" (val)
    11                                  :
    12                                  : "cc");
    13    return val;
    14}
    15
    16static inline void set_cr(unsigned int val)
    17{
    18    if (is_hyp())
    19        asm volatile("mcr p15, 4, %0, c1, c0, 0 @ set CR" :
    20                                  : "r" (val)
    21                                  : "cc");
    22    else
    23        asm volatile("mcr p15, 0, %0, c1, c0, 0 @ set CR" :
    24                                  : "r" (val)
    25                                  : "cc");
    26    isb();
    27}

devmem

对于kernel已经挂在文件系统之后，操作外设寄存器的方法有很多，但是比较倾向于使用devmem这个命令，该命令可以直接操作物理内存空间，不必考虑虚拟地址和物理地址之间的映射。该命令由busybox提供，通过配置busybox可以在生成的文件系统中包含它。

![1b538bd6371c57c3af231d87b914e500.png][]

通过devmem操作寄存器的过程如下

![924824541cc4d79c6a6af7ec5ea028a6.png][]

END

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[Linux]: https://mp.weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?__biz=MzA5NTM3MjIxMw%3D%3D&action=getalbum&album_id=1319528681890709506#wechat_redirect
[Link 1]: https://mp.weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?__biz=MzA5NTM3MjIxMw%3D%3D&action=getalbum&album_id=1351786687592202240#wechat_redirect
[C]: https://mp.weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?__biz=MzA5NTM3MjIxMw%3D%3D&action=getalbum&album_id=1377857816341577728#wechat_redirect
[Link 2]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NTM3MjIxMw%3D%3D&chksm=9042f716a7357e003fc6c87cfacb76508df6c06e14fb9f01c54aca3801f456b9ff5b6ce71ef3&idx=2&mid=2247492044&scene=21&sn=695b9297a39bf2d5a4548a161892d182#wechat_redirect