ARM 协处理器（Coprocessor）功能及用法详解
ARM 协处理器（Coprocessor）是 ARM 架构中用于扩展处理器功能的模块，通过专用指令（如 MCR、MRC）与主处理器（CPU）协同工作。协处理器通常用于实现系统控制、浮点运算、硬件加速等高级功能。以下是 ARM 协处理器的核心概念及典型应用：
一、协处理器基本概念
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 数量 | ARM 架构支持最多 16 个协处理器（CP0-CP15） |
| 功能 | 每个协处理器有独立指令和寄存器，用于扩展 CPU 能力 |
| 访问权限 | 协处理器操作通常需在 特权模式（如 SVC、ABT）下执行 |
| 常见协处理器 | - CP15：系统控制（MMU、缓存、内存保护） - CP14：调试功能 - CP10/CP11：浮点运算（VFP/NEON） |
二、协处理器指令
1. 核心指令
| 指令 | 格式 | 功能 |
|---|---|---|
MCR | MCR{cond} p#, <op1>, Rt, CRn, CRm, <op2> | 将 CPU 寄存器写入协处理器寄存器 |
MRC | MRC{cond} p#, <op1>, Rt, CRn, CRm, <op2> | 从协处理器寄存器读取到 CPU 寄存器 |
参数说明：
p#：协处理器编号（如p15表示 CP15）op1/op2：操作码（定义具体操作）CRn：目标协处理器寄存器CRm：附加寄存器（通常用于扩展操作）Rt：CPU 通用寄存器
2. 示例
; 读取 CP15 的 Main ID 寄存器（MIDR）到 R0
MRC p15, 0, R0, c0, c0, 0
; 将 R1 的值写入 CP15 的 控制寄存器（SCTLR）
MCR p15, 0, R1, c1, c0, 0
三、关键协处理器：CP15（系统控制协处理器）
CP15 是 ARM 系统中最重要的协处理器，用于管理核心硬件功能：
1. 主要功能
| 寄存器 | 功能 | 典型操作 |
|---|---|---|
| c0 | 系统信息（MIDR、CTR） | 读取 CPU ID、缓存类型 |
| c1 | 系统控制（SCTLR） | 启用 MMU、缓存、对齐检查 |
| c2 | 地址翻译（TTBR0/TTBR1） | 配置页表基地址 |
| c3 | 域访问控制（DACR） | 定义内存域权限 |
| c7 | 缓存维护（C7） | 无效化缓存/TLB |
| c12 | 异常基址（VBAR） | 设置异常向量表地址 |
2. 典型应用
启用 MMU：
MRC p15, 0, R0, c1, c0, 0 ; 读取 SCTLR
ORR R0, R0, #(1 << 0) ; 设置 M 位（启用 MMU）
MCR p15, 0, R0, c1, c0, 0 ; 写回 SCTLR
ISB ; 确保指令生效
无效化指令缓存：
MOV R0, #0
MCR p15, 0, R0, c7, c5, 0 ; ICIALLU（无效化所有指令缓存）
DSB ; 数据同步屏障
ISB ; 指令同步屏障
四、其他协处理器
1. CP10/CP11（浮点与 SIMD）
- 功能：支持浮点运算（VFP）和 SIMD（NEON）指令
- 启用步骤：
; 启用 CP10/CP11 访问权限 MRC p15, 0, R0, c1, c0, 2 ; 读取 CPACR ORR R0, R0, #(0xF << 20) ; 设置 CP10/CP11 权限位 MCR p15, 0, R0, c1, c0, 2 ; 写回 CPACR ISB ; 启用 VFP/NEON VMRS R0, FPEXC ORR R0, R0, #(1 << 30) ; 设置 FPEXC.EN 位 VMSR FPEXC, R0
2. CP14（调试）
- 功能：管理硬件断点、观察点、调试状态
- 典型操作：
; 设置硬件断点 MCR p14, 0, R0, c0, c0, 0 ; 写入调试地址到 DBGDTR
五、注意事项
- 特权模式：协处理器指令需在 特权模式（如 SVC、ABT）下执行，用户模式会触发异常。
- 内存屏障：修改系统配置后需使用
DSB/ISB确保操作完成。 - 兼容性：不同 ARM 架构（如 ARMv7-A 与 ARMv8-A）的协处理器行为可能不同。
六、参考文档
- 《ARM Architecture Reference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition》
- 《Cortex-A7 Technical Reference Manual》
- 《ARMv8-A Architecture Reference Manual》
协处理器是 ARM 系统级编程的核心工具，深入理解其使用对开发 Bootloader、内核驱动和性能优化至关重要。