協(xié)處理器CP15 - 常見(jiàn)的五大ARM存儲(chǔ)器之一：協(xié)處理器CP15

　　協(xié)處理器CP15

　　ARM處理器支持16個(gè)協(xié)處理器。在程序執(zhí)行過(guò)程中，每個(gè)協(xié)處理器忽略屬于ARM處理器和其他協(xié)處理器的指令。當(dāng)一個(gè)協(xié)處理器硬件不能執(zhí)行屬于它的協(xié)處理器指令時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)未定義指令異常中斷，在該異常中斷處理程序中，可以通過(guò)軟件模擬該硬件操作。比如，如果系統(tǒng)不包含向量浮點(diǎn)運(yùn)算器，則可以選擇浮點(diǎn)運(yùn)算軟件模擬包來(lái)支持向量浮點(diǎn)運(yùn)算。

　　CP15，即通常所說(shuō)的系統(tǒng)控制協(xié)處理器（System Control Coprocesssor）。它負(fù)責(zé)完成大部分的存儲(chǔ)系統(tǒng)管理。除了CP15外，在具體的各種存儲(chǔ)管理機(jī)制中可能還會(huì)用到其他的一些技術(shù)，如在MMU中除CP15外，還使用了頁(yè)表技術(shù)等。

　　在一些沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)管理的系統(tǒng)中，CP15是不存在的。在這種情況下，針對(duì)協(xié)處理器CP15的操作指令將被視為未定義指令，指令的執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。

　　CP15包含16個(gè)32位寄存器，其編號(hào)為0～15。實(shí)際上對(duì)于某些編號(hào)的寄存器可能對(duì)應(yīng)多個(gè)物理寄存器，在指令中指定特定的標(biāo)志位來(lái)區(qū)分這些物理寄存器。這種機(jī)制有些類似于ARM中的寄存器，當(dāng)處于不同的處理器模式時(shí)，某些相同編號(hào)的寄存器對(duì)應(yīng)于不同的物理寄存器。

　　CP15中的寄存器可能是只讀的，也可能是只寫(xiě)的，還有一些是可讀可寫(xiě)的。在對(duì)協(xié)處理器寄存器進(jìn)行操作時(shí)，需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

　　· 寄存器的訪問(wèn)類型（只讀/只寫(xiě)/可讀可寫(xiě)）。

　　· 不同的訪問(wèn)引發(fā)的不同功能。

　　· 相同編號(hào)的寄存器是否對(duì)應(yīng)不同的物理寄存器。

　　· 寄存器的具體作用。

　　CP15寄存器訪問(wèn)指令

　　通常對(duì)協(xié)處理器CP15的訪問(wèn)使用以下兩種指令。

　　MCR：將ARM寄存器的值寫(xiě)入CP15寄存器中；

　　MRC：將CP15寄存器的值寫(xiě)入ARM寄存器中。

　　注意通過(guò)協(xié)處理器訪問(wèn)指令CDP、LDC和STC指令對(duì)協(xié)處理器CP15進(jìn)行訪問(wèn)將產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果。

　　其中，CDP為協(xié)處理器數(shù)據(jù)操作指令，這個(gè)指令初始化一些與協(xié)處理器相關(guān)的操作；

　　LDC為一個(gè)或多個(gè)字的協(xié)處理器數(shù)據(jù)讀取指令，此指令從存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)到指定的協(xié)處理器中；

　　STC為一個(gè)或多個(gè)32位字的協(xié)處理器數(shù)據(jù)寫(xiě)入指令，此指令初始化一個(gè)協(xié)處理器的寫(xiě)操作，從給定的協(xié)處理器把數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器中。

　　指令MCR和MRC指令訪問(wèn)CP15寄存器使用通用語(yǔ)法。

　　語(yǔ)法格式為：

　　MCR{《cond》} p15，《opcode1=0》，《Rd》，《CRn》，《CRm》{，《opcode2》}

　　MRC{《cond》} p15，《opcode1=0》，《Rd》，《CRn》，《CRm》{，《opcode2》}

　　其中：

　　《cond》為指令的執(zhí)行條件。當(dāng)《cond》條件域?yàn)榭諘r(shí)，指令無(wú)條件執(zhí)行；

　　《opcode1》在標(biāo)準(zhǔn)的MRC指令中，為協(xié)處理器的《opcode1》，即操作數(shù)1。對(duì)于CP15來(lái)說(shuō)，此操作數(shù)恒為0，即0b000。當(dāng)針對(duì)CP15的MRC指令中《opcode1》不為0時(shí)，指令的操作結(jié)果不可預(yù)知；

　　《Rd》為ARM寄存器，在ARM和協(xié)處理器交換數(shù)據(jù)時(shí)使用。在MRC指令中作為目的寄存器，在MCR中作為源寄存器。

　　注意r15不能作為ARM寄存器出現(xiàn)在MRC或MCR指令中，如果r15作為《Rd》出現(xiàn)在這里，那么指令的執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。

　　《CRn》是CP15協(xié)處理器指令中用到的主要寄存器。在MRC指令中為源寄存器，在MCR中為目的寄存器。CP15協(xié)處理器的寄存器c0、c1、…、c15均可出現(xiàn)在這里。

　　《CRm》是附加的協(xié)處理器寄存器，用于區(qū)分同一個(gè)編號(hào)的不同物理寄存器和訪問(wèn)類型。當(dāng)指令中不需要提供附加信息時(shí)，將《CRm》指定為C0，否則指令的操作結(jié)果不可預(yù)知。

　　《opcode2》提供附加信息，用于區(qū)分同一個(gè)編號(hào)的不同物理寄存器，當(dāng)指令中沒(méi)有指定附加信息時(shí)，省略《opcode2》或者將其指定為0，否則指令的操作結(jié)果不可預(yù)知。

　　MCR和MRC指令只能操作在特權(quán)模式下，如果處理器運(yùn)行在用戶模式，指令的執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。

　　注意在用戶模式下，如果要訪問(wèn)系統(tǒng)控制協(xié)處理器，通常的做法是由操作系統(tǒng)提供SWI軟中斷調(diào)用來(lái)完成系統(tǒng)模式的切換。由于不同型號(hào)的ARM處理器對(duì)此管理差別很大，所以建議用戶在應(yīng)用時(shí)將SWI作為一個(gè)獨(dú)立的模塊來(lái)管理并向上提供通用接口，以屏蔽不同型號(hào)處理器之間的差異。

　　例1給出了一個(gè)典型的利用SWI進(jìn)行模式切換的例子。