浅谈ARMv7-A协处理器CP15

article/2025/9/26 5:15:34

协处理器，顾名思义就是协助型处理器，主要协助做一些主处理器无法执行或者执行效率不佳的事情，比如浮点、图像、音频处理这一类，随着硬件的发展，大多协处理器的功能都慢慢集成到主处理器中，但是某些特定的工作还是需要协处理器进行辅助。

ARM拥有16个协处理器，常被命名为 CP0—CP15，其中CP0—CP7由厂家定义协处理功能,而CP8—CP15预留给ARM使用：

1.CP15 提供一些系统控制功能，这包括体系结构和特征识别，以及控制、状态信息和配置支持，还提供了性能监视器寄存器。

2.CP14 主要提供 debug 系统的控制、Thumb执行环境、Java字节码执行。

3.CP10、CP11 两个协处理器一起，提供了浮点运算和向量操作，以及高级的 SIMD 指令扩展。

4.协处理器8、9、12和13预留给ARM将来使用。

01.CP15寄存器特性：

CP15 一共有 16 个寄存器，通常是需要 PL1 特权级才能访问，ARMv7 的 CP15 寄存器都是复合功能寄存器，多种功能对应多个寄存器内存实体，由访问指令的参数来决定访问的是哪种功能对应的内存。

对于 ARMv7 架构而言，A 系列和 R 系列是统一设计的，A 系列带有 MMU 相关的控制，而 R 系列带有 MPU 相关控制，针对不同的功能需要做区分，同时又因为协处理器 CP15 只支持 16 个寄存器，而需要支持的功能较多，所以通过同一寄存器不同功能的方式来满足需求。

在指令的编码中，支持 16 个寄存器只需要使用 4 位，如果需要支持 32 个寄存器，就需要多使用一位寄存器位，要知道，对于指令编码而言，每一位的资源都是非常紧缺的，关于指令编码可以参考 ARM指令集编码。

02.CP15寄存器的访问：

ARMv7 中对于协处理器的访问，使用 mcr 和 mrc 指令，分别表示将 ARM 核心寄存器中的值的写到 CP15 寄存器中和从 CP15 寄存器中读到 ARM 核心寄存器中，大部分指令都需要在 PL1 以及更高的特权级下才能正常执行，这是因为 CP15 协处理器大多都涉及到系统和内存的设置，user 模式没有操作权限，user 模式仅能访问 CP15 中有限的几个寄存器比如：ISB、DSB、DMB、TPIDRURW、TPIDRURO 寄存器。

下面以mrc和mcr指令为例，进行讲解：

MRC：

作用：将协处理器寄存器的值读取到ARM的寄存器中

实例：mrc p15, 0, r0, c0, c1, 1

将协处理器CP15的寄存器的值读取到ARM的r0寄存器中。

MCR：

作用：将ARM的寄存器的值读取到中协处理器寄存器

实例：mcr p15, 0, r0, c0, c1, 1

将ARM的r0寄存器的值读取到协处理器CP15的寄存器中。

03.CP15寄存器和操作数总览：

尽管 CP15 的寄存器是 c0—c15，但是根据上文中的介绍，实际上真正的寄存器实体完全不止 16 个，而是通过 “<opc1>(通常是0),<CRn>,<CRm>{,#<opc2>}” 来确定需要操作的目标寄存器，下表就是整个 c0—c15 寄存器以及功能的总览：

c0:

c0是标识寄存器，对应的功能列表如下表：

c1:

c1是系统控制寄存器，对应的功能列表如下表：

c2、c3:

c2和c3是内存保护和控制寄存器，对应的功能列表如下表：

在ARM v7-A的大型物理地址扩展或虚拟化扩展的实现中，CP15的c2寄存器包括一些64位的系统控制寄存器。

c4:

c4未使用

c5、c6:

c5和c6是内存系统错误寄存器，对应的功能列表如下表：

c7:

c7包括缓存维护、地址转换，以及其他功能，对应的功能列表如下表：

c8:

c8是TLB维护操作，对应的功能列表如下表：

c9:

c9寄存器预留了缓存、TCM控制和性能监视器，对应的功能列表如下表：

c10:

c10是内存重映射和TLB控制寄存器，对应的功能列表如下表：

c11:

c11保留给TCMDMA寄存器，对应的功能列表如下表：

c12:

c12是安全扩展寄存器，对应的功能列表如下表：

c13:

c13是进程、上下文和线程ID寄存器，对应的功能列表如下表：

c14:

c14，保留给通用计时器扩展，对应的功能列表如下表：

32位的c14寄存器：

64位的c14寄存器：

c15:

ARMv7保留CP15的c15用于实现定义的目的，并且对CP15的c15编码的使用不做任何限制。

从上述的协处理器寄存器列表可以看出，每个寄存器都对应多种功能，通过 mcr 或者 mrc 指令的参数来指定需要操作的具体寄存器，同时，CP15 协处理器的大部分寄存器功能都是和系统的内存相关，比如 MMU、TCM、TLB、DMA、Memory protection 等等。

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