ARM硬件完美解读——协处理器

1、协处理器是哪位大神

协处理器（coprocessor），一种芯片，用于减轻系统微处理器的特定处理任务。例如，数学协处理器可以控制数字处理；图形协处理器可以处理视频绘制。例如，intel pentium 微处理器就包括内置的数学协处理器。协处理器可以附属于ARM处理器。一个协处理器通过扩展指令集或提供配置寄存器来扩展内核处理功能。一个或多个协处理器可以通过协处理器接口与ARM内核相连。协处理器可以通过一组专门的、提供load-store类型接口的ARM指令来访问。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、存储器管理(MMU)等。

 

2、我的电脑有黄老“协”吗

80486CPU之前有协处理器，提高浮点运算能力，那时cpu较弱才有的协处理器，现在速度是原来数百倍不止，pc机一般不存在协处理器了。居然有这么回事，算是领教了，我们一直都以是黄老邪是传说中滴东邪，还不知道有协处理器这么一说。

 

3、武器(ARM)才是硬道理

ARM 微处理器可支持多达 16 个协处理器，用于各种协处理操作，在程序执行的过程中，每个协处理器只执行针对自身的协处理指令，忽略 ARM 处理器和其他协处理器的指令。ARM 的协处理器指令主要用于 ARM 处理器初始化 ARM 协处理器的数据处理操作，以及在ARM 处理器的寄存器和协处理器的寄存器之间传送数据，和在 ARM 协处理器的寄存器和存储器之间传送数据。

 

4、如何借“老协”之力平定中原

在ARM指令中，访问协处理器的指令主要以下几条：

CDP 协处理器数操作指令
LDC 协处理器数据加载指令
STC 协处理器数据存储指令
MCR ARM 处理器寄存器到协处理器寄存器的数据传送指令
MRC 协处理器寄存器到ARM 处理器寄存器的数据传送指令

 

4.1、CDP 指令

CDP 指令的格式为：
CDP{条件} 协处理器编码，协处理器操作码1，目的寄存器，源寄存器1，源寄存器2，协处理 器操作码2。
CDP 指令用于ARM 处理器通知ARM 协处理器执行特定的操作,若协处理器不能成功完成特定的操作，则产生未定义指令异常。其中协处理器操作码1 和协处理器操作码2 为协处理器将要执行的操作，目的寄存器和源寄存器均为协处理器的寄存器，指令不涉及ARM 处理器的寄存器和存储器。
指令示例：
CDP P3 ， 2 ， C12 ， C10 ， C3 ， 4 ；该指令完成协处理器 P3 的初始化

 

4.2、LDC 指令

LDC 指令的格式为：
LDC{条件}{L} 协处理器编码,目的寄存器，[源寄存器]
LDC 指令用于将源寄存器所指向的存储器中的字数据传送到目的寄存器中，若协处理器不能成功完成传送操作，则产生未定义指令异常。其中，{L}选项表示指令为长读取操作，如用于双精度数据的传输。
指令示例：
LDC P3 ， C4 ， [R0] ；将 ARM 处理器的寄存器 R0 所指向的存储器中的字数据传送到协处理器 P3 的寄存器 C4 中。

 

4.3、STC 指令

STC 指令的格式为：
STC{条件}{L} 协处理器编码,源寄存器，[目的寄存器]
STC 指令用于将源寄存器中的字数据传送到目的寄存器所指向的存储器中，若协处理器不能成功完成传送操作，则产生未定义指令异常。其中，{L}选项表示指令为长读取操作，如用于双精度数据的传输。
指令示例：
STC P3 ， C4 ， [R0] ；将协处理器 P3 的寄存器 C4 中的字数据传送到 ARM 处理器的寄存器R0 所指向的存储器中。

 

4.4、MCR 指令

MCR 指令的格式为：
MCR{条件} 协处理器编码，协处理器操作码1，源寄存器，目的寄存器1，目的寄存器2，协处理器操作码2。
MCR 指令用于将ARM 处理器寄存器中的数据传送到协处理器寄存器中,若协处理器不能成功完成操作，则产生未定义指令异常。其中协处理器操作码1 和协处理器操作码2 为协处理器将要执行的操作，源寄存器为ARM 处理器的寄存器，目的寄存器1 和目的寄存器2 均为协处理器的寄存器。
指令示例：
MCR P3 ， 3 ， R0 ， C4 ， C5 ， 6 ；该指令将 ARM 处理器寄存器 R0 中的数据传送到协处理器 P3 的寄存器 C4 和 C5 中。

 

4.5、MRC 指令

MRC 指令的格式为：
MRC{条件} 协处理器编码，协处理器操作码1，目的寄存器，源寄存器1，源寄存器2，协处理器操作码2。
MRC 指令用于将协处理器寄存器中的数据传送到ARM 处理器寄存器中,若协处理器不能成功完成操作，则产生未定义指令异常。其中协处理器操作码1 和协处理器操作码2 为协处理器将要执行的操作，目的寄存器为ARM 处理器的寄存器，源寄存器1 和源寄存器2 均为协处理器的寄存器。
指令示例：
MRC P3 ， 3 ， R0 ， C4 ， C5 ， 6 ；该指令将协处理器 P3 的寄存器中的数据传送到 ARM 处理器寄存器中.

 

5、老邪家的十五阿哥CP15

系统控制协处理器 （the system control coprocessor）他通过协处理器指令MCR和MRC提供具体的寄存器来配置和控制caches、MMU、保护系统、配置时钟模式等。

只能在特权模式下使用MRC和MCR（Move to Coprocessor from ARM Register ）指令访问CP15的寄存器。因此，在系统上电启动过程时，会切换进入SVC模式，可参见《U-Boot完美解读(2)——启动文件start.s解析》。
包括15个具体的寄存器如下：
-R0：ID号寄存器 这是一个只读寄存器，返回一个32位的设备ID号，32具体功能参考2410 datesheet的 table 2-5
-R0：缓存类型寄存器（CACHE TYPE REGISTER） ，注意有2个R0，根据MCR操作数的不同传送不同的值，这也一个只读寄存器，包含了caches的信息。读这个寄存器的方式是通过设置协处理操作码为1.
如：
MRC p15,0,Rd,c0,c0,1; 返回caches的详细信息，详见：table 2-6
-R1：控制寄存器 2-10
-R2：转换表基址寄存器（Translation Table Base --TTB） 2-12
-R3：域访问控制寄存器（Domain access control ）2-13
-R4：保留 2-14
-R5：异常状态寄存器（fault status -FSR）2-14
-R6：异常地址寄存器（fault address -FAR）2-15
-R7：缓存操作寄存器 2-15
-R8：TLB操作寄存器 2-18
-R9：缓存锁定寄存器 2-19
-R10：TLB 锁定寄存器 2-21
-R11-12&14：保留
-R13：处理器ID 2-22
-R15：测试配置寄存器 2-24