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嵌入式ARM CPU協(xié)處理器講解

作者：時(shí)間：2016-11-10 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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三星公司ARM11 CPU采用ARM核版本ARM1176JZF-S，基于ARM V6體系架構(gòu)，ARM11包括CP14和CP15協(xié)處理器，關(guān)于ARM11的協(xié)處理CP14和CP15的詳細(xì)介紹請(qǐng)參看文檔《ARM1176JZF-S Technical Reference Manual》，ARM官方網(wǎng)http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.ddi0301h/index.html可以在線閱讀《ARM1176JZF-S Technical Reference Manual》。這里我們簡(jiǎn)單介紹一下基于ARM926EJ-S/ARM920T 協(xié)處理器 CP14,CP15， ARM11的協(xié)處理器CP14，CP15與此類似。

ARM926EJ-S/ARM920T 協(xié)處理器 CP14, CP15詳解

ARM 微處理器可支持多達(dá) 16 個(gè)協(xié)處理器，用于各種協(xié)處理操作，在程序執(zhí)行的過(guò)程中，每個(gè)協(xié)處理器只執(zhí)行針對(duì)自身的協(xié)處理指令，忽略 ARM 處理器和其他協(xié)處理器的指令。ARM 的協(xié)處理器指令主要用于 ARM 處理器初始化 ARM 協(xié)處理器的數(shù)據(jù)處理操作，以及在ARM 處理器的寄存器和協(xié)處理器的寄存器之間傳送數(shù)據(jù)，和在 ARM 協(xié)處理器的寄存器和存儲(chǔ)器之間傳送數(shù)據(jù)。 ARM 協(xié)處理器指令包括以下 5 條：

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201611/317554.htm

— CDP 協(xié)處理器數(shù)操作指令

— LDC 協(xié)處理器數(shù)據(jù)加載指令

— STC 協(xié)處理器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指令

— MCR ARM 處理器寄存器到協(xié)處理器寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令

— MRC 協(xié)處理器寄存器到ARM 處理器寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令

1、CDP 指令

CDP 指令的格式為：

CDP 協(xié)處理器編碼，協(xié)處理器操作碼1，目的寄存器，源寄存器1，源寄存器2，協(xié)處理器操作碼2。 CDP 指令用于ARM 處理器通知ARM 協(xié)處理器執(zhí)行特定的操作,若協(xié)處理器不能成功完成特定的操作，則產(chǎn)生未定義指令異常。其中協(xié)處理器操作碼1 和協(xié)處理器操作碼2 為協(xié)處理器將要執(zhí)行的操作，目的寄存器和源寄存器均為協(xié)處理器的寄存器，指令不涉及ARM 處理器的寄存器和存儲(chǔ)器。

指令示例：

CDP P3 ， 2 ， C12 ， C10 ， C3 ， 4 ；該指令完成協(xié)處理器 P3 的初始化

2、LDC 指令

LDC 指令的格式為：

LDC 協(xié)處理器編碼,目的寄存器，[源寄存器]

LDC 指令用于將源寄存器所指向的存儲(chǔ)器中的字?jǐn)?shù)據(jù)傳送到目的寄存器中，若協(xié)處理器不能成功完成傳送操作，則產(chǎn)生未定義指令異常。其中，選項(xiàng)表示指令為長(zhǎng)讀取操作，如用于雙精度數(shù)據(jù)的傳輸。

指令示例：

LDC P3 ， C4 ， [R0] ；將 ARM 處理器的寄存器 R0 所指向的存儲(chǔ)器中的字?jǐn)?shù)據(jù)傳送到協(xié)處理器 P3 的寄存器 C4 中。

3、STC 指令

STC 指令的格式為：

STC 協(xié)處理器編碼,源寄存器，[目的寄存器]

STC 指令用于將源寄存器中的字?jǐn)?shù)據(jù)傳送到目的寄存器所指向的存儲(chǔ)器中，若協(xié)處理器不能成功完成傳送操作，則產(chǎn)生未定義指令異常。其中，選項(xiàng)表示指令為長(zhǎng)讀取操作，如用于雙精度數(shù)據(jù)的傳輸。

指令示例：

STC P3 ， C4 ， [R0] ；將協(xié)處理器 P3 的寄存器 C4 中的字?jǐn)?shù)據(jù)傳送到 ARM 處理器的寄存器R0 所指向的存儲(chǔ)器中。

4、MCR 指令

MCR 指令的格式為：

MCR 協(xié)處理器編碼，協(xié)處理器操作碼1，源寄存器，目的寄存器1，目的寄存器2，協(xié)處理器操作碼2。

MCR 指令用于將ARM 處理器寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到協(xié)處理器寄存器中,若協(xié)處理器不能成功完成操作，則產(chǎn)生未定義指令異常。其中協(xié)處理器操作碼1 和協(xié)處理器操作碼2 為協(xié)處理器將要執(zhí)行的操作，源寄存器為ARM 處理器的寄存器，目的寄存器1 和目的寄存器2 均為協(xié)處理器的寄存器。

指令示例：

MCR P3，3，R0，C4，C5，6；該指令將 ARM 處理器寄存器 R0 中的數(shù)據(jù)傳送到協(xié)處理器 P3 的寄存器 C4 和 C5 中。

5、MRC 指令

MRC 指令的格式為：

MRC 協(xié)處理器編碼，協(xié)處理器操作碼1，目的寄存器，源寄存器1，源寄存器2，協(xié)處理器操作碼2。

MRC 指令用于將協(xié)處理器寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到ARM 處理器寄存器中,若協(xié)處理器不能成功完成操作，則產(chǎn)生未定義指令異常。其中協(xié)處理器操作碼1 和協(xié)處理器操作碼2 為協(xié)處理器將要執(zhí)行的操作，目的寄存器為ARM 處理器的寄存器，源寄存器1 和源寄存器2 均為協(xié)處理器的寄存器。

指令示例：

MRC P3，3，R0，C4，C5，6；該指令將協(xié)處理器 P3 的寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到 ARM 處理器寄存器中.

The ARM920T 有兩個(gè)具體協(xié)處理器

CP14調(diào)試通信通道協(xié)處理器

調(diào)試通信通道協(xié)處理器DCC(the Debug Communications Channel)提供了兩個(gè)32bits寄存器用于傳送數(shù)據(jù)，還提供了6bits通信數(shù)據(jù)控制寄存器控制寄存器中的兩個(gè)位提供目標(biāo)和主機(jī)調(diào)試器之間的同步握手。

通信數(shù)據(jù)控制寄存器

以下指令在 Rd 中返回控制寄存器的值：

MRC p14, 0, Rd, c0, c0

此控制寄存器中的兩個(gè)位提供目標(biāo)和主機(jī)調(diào)試器之間的同步握手：

位 1（W 位）從目標(biāo)的角度表示通信數(shù)據(jù)寫入寄存器是否空閑：

W = 0 目標(biāo)應(yīng)用程序可以寫入新數(shù)據(jù)。

W = 1 主機(jī)調(diào)試器可以從寫入寄存器中掃描出新數(shù)據(jù)。

位 0（R 位）從目標(biāo)的角度表示通信數(shù)據(jù)讀取寄存器中是否有新數(shù)據(jù)：

R = 1 有新數(shù)據(jù)，目標(biāo)應(yīng)用程序可以讀取。

R = 0 主機(jī)調(diào)試器可以將新數(shù)據(jù)掃描到讀取寄存器中。

注意

調(diào)試器不能利用協(xié)處理器 14 直接訪問(wèn)調(diào)試通信通道，因?yàn)檫@對(duì)調(diào)試器無(wú)意義。但調(diào)試器可使用掃描鏈讀寫 DCC 寄存器。 DCC 數(shù)據(jù)和控制寄存器可映射到 EmbeddedICE 邏輯單元中的地址。若要查看 EmbeddedICE 邏輯寄存器，請(qǐng)參閱您的調(diào)試器和調(diào)試目標(biāo)的相關(guān)文檔。

通信數(shù)據(jù)讀取寄存器

用于接收來(lái)自調(diào)試器的數(shù)據(jù)的 32 位寬寄存器。以下指令在 Rd 中返

回讀取寄存器的值：

MRC p14, 0, Rd, c1, c0

通信數(shù)據(jù)寫入寄存器

用于向調(diào)試器發(fā)送數(shù)據(jù)的 32 位寬寄存器。以下指令將 Rn 中的值寫

到寫入寄存器中：

MCR p14, 0, Rn, c1, c0

注意

有關(guān)訪問(wèn) ARM10 和 ARM11 內(nèi)核 DCC 寄存器的信息，請(qǐng)參閱相應(yīng)的技術(shù)參考手冊(cè)。 ARM9 之后的各處理器中，所用指令、狀態(tài)位位置以及對(duì)狀態(tài)位的解釋都有所不同。

目標(biāo)到調(diào)試器的通信

這是運(yùn)行于 ARM 內(nèi)核上的應(yīng)用程序與運(yùn)行于主機(jī)上的調(diào)試器之間的通信事件

順序：

1. 目標(biāo)應(yīng)用程序檢查 DCC 寫入寄存器是否空閑可用。為此，目標(biāo)應(yīng)用程序使

用 MRC 指令讀取調(diào)試通信通道控制寄存器，以檢查 W 位是否已清除。

2. 如果 W 位已清除，則通信數(shù)據(jù)寫入寄存器已清空，應(yīng)用程序?qū)f(xié)處理器 14

使用 MCR 指令將字寫入通信數(shù)據(jù)寫入寄存器。寫入寄存器操作會(huì)自動(dòng)設(shè)置

W 位。如果 W 位已設(shè)置，則表明調(diào)試器尚未清空通信數(shù)據(jù)寫入寄存器。此

時(shí)，如果應(yīng)用程序需要發(fā)送另一個(gè)字，它必須輪詢 W 位，直到它已清除。

3. 調(diào)試器通過(guò)掃描鏈 2 輪詢通信數(shù)據(jù)控制寄存器。如果調(diào)試器發(fā)現(xiàn) W 位已設(shè)

置，則它可以讀 DCC 數(shù)據(jù)寄存器，以讀取應(yīng)用程序發(fā)送的信息。讀取數(shù)據(jù)

的進(jìn)程會(huì)自動(dòng)清除通信數(shù)據(jù)控制寄存器中的 W 位。

以下代碼顯示了這一過(guò)程

AREA OutChannel, CODE, READONLY

ENTRY

MOV r1,#3 ; Number of words to send

ADR r2, outdata ; Address of data to send

pollout

MRC p14,0,r0,c0,c0 ; Read control register

TST r0, #2

BNE pollout ; if W set, register still full

write

LDR r3,[r2],#4 ; Read word from outdata

; into r3 and update the pointer

MCR p14,0,r3,c1,c0 ; Write word from r3

SUBS r1,r1,#1 ; Update counter

BNE pollout ; Loop if more words to be written

MOV r0, #0x18 ; Angel_SWIreason_ReportException

LDR r1, =0x20026 ; ADP_Stopped_ApplicationExit

SVC 0x123456 ; ARM semihosting (formerly SWI)

outdata

DCB "Hello there!"

END

調(diào)試器到目標(biāo)的通信

這是運(yùn)行于主機(jī)上的調(diào)試器向運(yùn)行于內(nèi)核上的應(yīng)用程序傳輸消息的事件順序：

1. 調(diào)試器輪詢通信數(shù)據(jù)控制寄存器的 R 位。如果 R 位已清除，則通信數(shù)據(jù)讀

取寄存器已清空，可將數(shù)據(jù)寫入此寄存器，以供目標(biāo)應(yīng)用程序讀取。

2. 調(diào)試器通過(guò)掃描鏈 2 將數(shù)據(jù)掃描到通信數(shù)據(jù)讀取寄存器中。此操作會(huì)自動(dòng)

設(shè)置通信數(shù)據(jù)控制寄存器中的 R 位。

3. 目標(biāo)應(yīng)用程序輪詢通信數(shù)據(jù)控制寄存器中的 R 位。如果該位已經(jīng)設(shè)置，則

通信數(shù)據(jù)讀取寄存器中已經(jīng)有數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序可使用 MRC 指令從協(xié)處理器

14 讀取該數(shù)據(jù)。同時(shí)，讀取指令還會(huì)清除 R 位。

以下顯示的目標(biāo)應(yīng)用程序代碼演示了這一過(guò)程

AREA InChannel, CODE, READONLY

ENTRY

MOV r1,#3 ; Number of words to read

LDR r2, =indata ; Address to store data read

pollin

MRC p14,0,r0,c0,c0 ; Read control register

TST r0, #1

BEQ pollin ; If R bit clear then loop

read

MRC p14,0,r3,c1,c0 ; read word into r3

STR r3,[r2],#4 ; Store to memory and

; update pointer

SUBS r1,r1,#1 ; Update counter

BNE pollin ; Loop if more words to read

MOV r0, #0x18 ; Angel_SWIreason_ReportException

LDR r1, =0x20026 ; ADP_Stopped_ApplicationExit

SVC 0x123456 ; ARM semihosting (formerly SWI)

AREA Storage, DATA, READWRITE

indata

DCB "Duffmessage#"

END

CP15系統(tǒng)控制協(xié)處理器

CP15 —系統(tǒng)控制協(xié)處理器（the system control coprocessor）他通過(guò)協(xié)處理器指令MCR和MRC提供具體的寄存器來(lái)配置和控制caches、MMU、保護(hù)系統(tǒng)、配置時(shí)鐘模式（在bootloader時(shí)鐘初始化用到）

CP15的寄存器只能被MRC和MCR（Move to Coprocessor from ARM Register ）指令訪問(wèn)

MCR p15,,,,,

MRC p15,,,,,

其中L位用來(lái)區(qū)分MCR(L=1)和MRC(L=0)操作. CP15包括15個(gè)具體的寄存器如下：

-R0：ID號(hào)寄存器

-R0：緩存類型寄存器

-R1：控制寄存器

-R2：轉(zhuǎn)換表基址寄存器（Translation Table Base --TTB）

-R3：域訪問(wèn)控制寄存器（Domain access control ）

-R4：保留

-R5：異常狀態(tài)寄存器（fault status -FSR）

-R6：異常地址寄存器（fault address -FAR）

-R7：緩存操作寄存器

-R8：TLB操作寄存器

-R9：緩存鎖定寄存器

-R10：TLB 鎖定寄存器

-R11-12&14：保留

-R13：處理器ID

-R15：測(cè)試配置寄存器 2-24

要注意有2個(gè)R0，根據(jù)MCR操作數(shù)的不同傳送不同的值，這也一個(gè)只讀寄存器

-R0：ID號(hào)寄存器這是一個(gè)只讀寄存器，返回一個(gè)32位的設(shè)備ID號(hào)，具體功能參考ARM各個(gè)系列型號(hào)的的CP15 Register 0說(shuō)明.

MRC p15, 0, , c0, c0, {0, 3-7} ;returns ID

以下為ID Code詳細(xì)描敘(ARM926EJ-S); ARM920T Part Number為0x920,Architecture (ARMv4T) 為0x2具體可參照ARM各型號(hào).

-R0：緩存類型寄存器（CACHE TYPE REGISTER），包含了caches的信息。讀這個(gè)寄存器的方式是通過(guò)設(shè)置協(xié)處理操作碼為1.

MRC p15, 0, , c0, c0, 1; returns cache details

以下為CP15的一些應(yīng)用示例

U32 ARM_CP15_DeviceIDRead(void)

{

U32 id;

__asm { MRC P15, 0, id, c0, c0; }

return id;

}

void ARM_CP15_SetPageTableBase(P_U32 TableAddress)

{

__asm { MCR P15, 0, TableAddress, c2, c0, 0; }

}

void ARM_CP15_SetDomainAccessControl(U32 flags)

{

__asm { MCR P15, 0, flags, c3, c0, 0; }

}

void ARM_CP15_ICacheFlush()

{

unsigned long dummy;

__asm { MCR p15, 0, dummy, c7, c5, 0; }

}

void ARM_CP15_DCacheFlush()

{

unsigned long dummy;

__asm { MCR p15, 0, dummy, c7, c6, 0; }

}

void ARM_CP15_CacheFlush()

{

unsigned long dummy;

__asm { MCR p15, 0, dummy, c7, c7, 0; }

}

void ARM_CP15_TLBFlush(void)

{

unsigned long dummy;

__asm { MCR P15, 0, dummy, c8, c7, 0; }

}

void ARM_CP15_ControlRegisterWrite(U32 flags)

{

__asm { MCR P15, 0, flags, c1, c0; }

}

void ARM_CP15_ControlRegisterOR(U32 flag)

{

__asm {

mrc p15,0,r0,c1,c0,0

mov r2,flag

orr r0,r2,r0

mcr p15,0,r0,c1,c0,0

}

}

void ARM_CP15_ControlRegisterAND(U32 flag)

{

__asm {

mrc p15,0,r0,c1,c0,0

mov r2,flag

and r0,r2,r0

mcr p15,0,r0,c1,c0,0

}

}

void ARM_MMU_Init(P_U32 TableAddress)

{

ARM_CP15_TLBFlush();

ARM_CP15_CacheFlush();

ARM_CP15_SetDomainAccessControl(0xFFFFFFFF);

ARM_CP15_SetPageTableBase(TableAddress);

}

void Enable_MMU (void)

{

__asm {

mrc p15,0,r0,c1,c0,0

mov r2, #0x00000001

orr r0,r2,r0

mcr p15,0,r0,c1,c0,0

}

printf("MMU enabledn");

}

void Disable_MMU (void)

{

__asm {

mrc p15,0,r0,c1,c0,0

mov r2, #0xFFFFFFFE

and r0,r2,r0

mcr p15,0,r0,c1,c0,0

}

printf("MMU disabledn");

}

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