一文詳解CP15協處理器

協處理器概述

ARM架構通過支持協處理器來擴展處理器的功能。ARM架構的處理器支持最多16個協處理器，通常稱為CP0~CP15。下述的協處理器被ARM用于特殊用途：

CP15：提供系統控制功能，主要用于配置MMU、TLB和Cache等功能。

CP14：主要用于控制系統Debug功能。

CP10、CP11：兩個協處理器一起提供了對浮點運算和向量操作的支持，這兩個協處理器主要用于控制和配置浮點功能和高級SIMD指令擴展。

其他協處理器被ARM保留用于將來使用。

本文主要說說CP15協處理器。

CP15協處理器總覽

CP15是系統控制協處理器，主要用于對ARM處理器核心支持的許多特性功能進行配置。CP15協處理器支持16個32位主寄存器（primary register），命名為c0~c15。c0~c15主寄存器各自又有多個32位的物理寄存器（physical register）。CP15協處理器的大多數寄存器不能在USR模式下訪問，只能在除USR模式外的其他模式下訪問。下面列出c0~c15中比較常用的寄存器：

在CP15協處理器中，c0~c15每個主處理器下面有多個物理寄存器，上述表格只列出了部分常用的物理寄存器。

協處理器操作指令

ARMv7-A體系結構的處理器提供了MRC和MCR指令用于對協處理器進行讀寫操作。MRC指令用于將CP15協處理器中的寄存器數據讀取到ARM通用寄存器中。MCR指令用于將ARM通用寄存器中的數據寫入到CP15協處理器的寄存器中。

MRC

MRC指令的語法如下所示：

?

MRC{cond} coproc, opc1, Rt, CRn, CRm{, opc2}

?

cond為條件碼。

coproc為協處理器名稱，CP0~CP15協處理器分別對應名稱p0~p15。

opc1為協處理器要執行的操作碼，取指范圍為0~7。

Rt為ARM通用寄存器，用于存儲讀取到的協處理器寄存器數據。

CRn為協處理器寄存器，對于CP15協處理器來說，CRn取值范圍為c0~c15。

CRm為協處理器寄存器，對于CP15協處理器來說，通過CRm和opc2一起來確定CRn對應的具體寄存器。

opc2為可選的協處理器執行操作碼，取指范圍為0~7，當不需要的時候要設置為0。

MRC指令使用示例如下：

?

# 讀取主ID寄存器 MIDR 的數據到 R0 中.
MRC p15, 0, R0, c0, c0, 0

?

MCR

MCR指令的語法如下所示：

?

MCR{cond} coproc, opc1, Rt, CRn, CRm{, opc2}

?

cond為條件碼。

coproc為協處理器名稱，CP0~CP15協處理器分別對應名稱p0~p15。

opc1為協處理器要執行的操作碼，取指范圍為0~7。

Rt為ARM通用寄存器，用于存儲要寫入到協處理器寄存器中的數據。

CRn為協處理器寄存器，對于CP15協處理器來說，CRn取值范圍為c0~c15。

CRm為協處理器寄存器，對于CP15協處理器來說，通過CRm和opc2一起來確定CRn對應的具體寄存器。

opc2為可選的協處理器執行操作碼，取指范圍為0~7，當不需要的時候要設置為0。

MCR指令使用示例如下：

?

# 將 R0 中的配置數據寫入到 SCTLR
MCR p15, 0, R0, c1, c0, 0

?

CP15協處理器主寄存器組成

CP15協處理器有c0~c15總共16個主寄存器，在每個主寄存器下面，又有多個物理寄存器。下圖總結了CP15協處理器的寄存器組織形式：

Snipaste_2023-09-18_20-14-06

上圖對于MRC和MCR指令所要使用到的一些參數都標明了，對于想要訪問CP15協處理器相關寄存器，只需要看圖填寫好參數就行了。下面具體列一下c0~c15各個主寄存器的組成。

CP15協處理器c0寄存器組成

主寄存器c0主要提供ID相關的功能，c0寄存器的組成如下圖所示：

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CP15協處理器c1寄存器組成

主寄存器c1主要提供系統控制相關的功能，c1寄存器的組成如下圖所示：

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在CP15協處理器的寄存器中，系統控制寄存器SCTLR是被訪問的比較多的寄存器。對SCTLR寄存器的訪問需要在PL1或者更高的特權等級。SCTLR寄存器的位關系如下圖所示：

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CP15協處理器c2 c3寄存器組成

主寄存器c2和c3主要提供內存保護和內存控制相關的功能，c2和c3寄存器的組成如下圖所示：

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CP15協處理器c4寄存器組成

在任何基于ARMv7實現的處理器中，協處理器CP15的c4寄存器沒有被使用。

CP15協處理器c5 c6寄存器組成

主寄存器c5和c6主要提供內存系統錯誤上報功能，c5和c6寄存器的組成如下圖所示：

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CP15協處理器c7寄存器組成

主寄存器c7主要提供cache維護，地址轉換和內存屏障操作相關的功能，c7寄存器的組成如下圖所示：

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CP15協處理器c8寄存器組成

主寄存器c8主要提供TLB維護相關的功能，c8寄存器的組成如下圖所示：

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CP15協處理器c9寄存器組成

主寄存器c9保留用于分支預測，cache和TCM操作，c9寄存器的組成如下圖所示：

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CP15協處理器c10寄存器組成

主寄存器c10主要提供內存重映射和TLB控制相關的功能，c10寄存器的組成如下圖所示：

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CP15協處理器c11寄存器組成

主寄存器c11保留用于TCM DMA操作，c11寄存器的組成如下圖所示：

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CP15協處理器c12寄存器組成

主寄存器c12提供安全擴展功能，c12寄存器的組成如下圖所示：

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CP15協處理器c13寄存器組成

主寄存器c13提供進程ID、上下文ID和線程ID處理功能，c13寄存器的組成如下圖所示：

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CP15協處理器c14寄存器組成

主寄存器c14保留用于通用定時器功能，c14寄存器的組成如下圖所示：

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CP15協處理器c15寄存器組成

主寄存器c15由處理器實現決定。

這里只是簡單的將CP15各個主寄存器的組成列出來了，方便在使用MRC和MCR指令配置CP15主寄存器時，查看指令各個參數的設置，以及對照配置的具體寄存器，至于寄存器的具體內容由于篇幅原因就不列出來了，CP15寄存器的細節可以參考ARMv7AR手冊的B3.17章節內容。

　　審核編輯：湯梓紅