U-Boot 詳解（六）：關閉 Cache 與 MMU 的必要性與實現

背景

U-Boot 啟動過程中，設置完時鐘分頻後，調用 cpu_init_crit 彙編函數，核心任務：關閉 Cache 與 MMU，隨後調用 lowlevel_init 初始化總線。

為什麼啟動時必須關閉 Cache 與 MMU？

Cache（高速緩存）

• CPU 速度 ≫ 內存速度，Cache 緩存常用指令/數據提升性能
• 啟動早期：內存未初始化、頁表未建立，Cache 內容不可預測
• 若數據 Cache 開啟，CPU 可能讀到舊的髒數據而非內存真實值 → 數據預取異常
• 指令 Cache 可選關閉，但數據 Cache 必須關閉

MMU（內存管理單元）

• 實現虛擬地址 → 物理地址映射、內存保護、權限控制
• 啟動早期：頁表未建立，MMU 無法正確翻譯地址
• 若開啟 MMU，程序將在虛擬地址空間運行，導致訪問錯誤
• 故必須先關閉 MMU，程序在物理地址空間運行

CP15 協處理器寄存器關鍵位（ARM920T/S3C2440）

關閉 Cache 與 MMU 彙編代碼解析

cpu_init_crit:
    /* 清除 V4 I/D Cache */
    mov r0, #0
    mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0  @ 清除 I/D Cache
    mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0  @ 清除 V3/V4 Cache
    mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0  @ 清除 TLB
    
    /* 禁用 MMU、Cache，啟用對齊檢查、指令 Cache */
    mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0  @ 讀取 CP15 c1 (控制寄存器)
    bic r0, r0, #0x00002300    @ 清除位 13(V), 9(R), 8(S)
    bic r0, r0, #0x00000087    @ 清除位 7(B), 2(C), 1(A), 0(M)
    orr r0, r0, #0x00000002    @ 設置位 1(A) = 1 (對齊檢查)
    orr r0, r0, #0x00001000    @ 設置位 12(I) = 1 (指令 Cache)
    mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0  @ 寫回 CP15 c1
    
    /* 跳轉到 lowlevel_init */
    mov ip, lr
    bl lowlevel_init
    mov lr, ip
    mov pc, lr

關鍵指令說明

• mcr (Move to Coprocessor from ARM Register)：ARM → CP15
• mrc (Move to ARM Register from Coprocessor)：CP15 → ARM
• bic (Bit Clear)：清除指定位
• orr (Bit OR)：設置指定位
• 讀-改-寫：mrc → bic/orr → mcr 保證不影響其他位

為什麼先清 Cache 再關閉？

關閉 Cache 前必須清空（Clean/Flush） Cache 內容，將髒數據寫回內存，否則關閉後數據丟失。
c7 操作執行 Cache 清理/無效化，c8 操作 TLB 無效化。

總結

U-Boot 早期初始化的核心原則：在硬件機制就緒前，禁用所有可能導致不可預測行為的優化單元。Cache 與 MMU 是典型代表，必須在內存控制器就緒、頁表建立後才能安全啟用。