一、定义

ARM协处理器是辅助主CPU处理特定任务的专用硬件，通过扩展指令集和硬件加速，提升ARM架构在特定场景的性能与效率，主CPU可通过协处理器指令（如CP15、CP10等）调度其工作。

 

1. 核心功能与分类

- 系统控制类（如CP15）：负责内存管理（MMU）、缓存控制、异常处理配置，是ARM内核的核心辅助单元，贯穿从ARMv4到ARMv8的架构演进。

- 浮点运算类（如VFP、NEON）：VFP专注浮点计算（替代早期软件模拟），NEON（高级SIMD）支持多媒体、信号处理等并行计算，广泛用于手机、嵌入式设备。

- 专用功能类：包括加密协处理器（加速AES、SHA）、图形协处理器（早期GPU雏形）、传感器协处理器（处理传感器数据，降低主CPU功耗）。

 

二、关键特性

- 与主CPU共享系统总线，指令通过ARM指令集的协处理器操作码（如MCR、MRC）交互，延迟低。

- 采用“按需激活”设计，仅处理主CPU不擅长的任务（如复杂浮点运算、加密解密），降低整体功耗。

- 现代ARM架构（如ARMv8-A）中，部分协处理器功能已集成进主CPU核心（如NEON内置），但专用协处理器（如加密模块）仍独立存在。

 

三. 典型应用场景

- 移动端：NEON加速视频编解码、游戏图形渲染；

- 嵌入式设备：CP15负责内存保护，加密协处理器保障数据安全；

- 服务器：浮点协处理器支持科学计算、AI推理等高性能场景。

 四、在arm中的架构

ARM 架构支持最多 16 个协处理器，编号为 CP0 到 CP15 。每个协处理器只执行针对自身的协处理指令 。

下表概括了这些协处理器的主要功能（请注意，并非所有系统都完全实现全部协处理器）

 

五、 访问协处理器的指令

ARM 架构提供了一组专门的指令用于与协处理器交互 ，其中最基本和最常用的是  MCR  和  MRC ：

 MCR ：将数据从 ARM 核心寄存器 移动到 协处理器寄存器 。

 MRC ：将数据从 协处理器寄存器 移动到 ARM 核心寄存器 。

这些指令的典型操作流程是"读取-修改-写回"：先使用  MRC  将协处理器寄存器的值读到通用寄存器，修改特定位后，再用  MCR  写回 。

六、汇编代码示例：操作 CP15 启用缓存

下面的汇编代码演示了如何使用  MRC  和  MCR  指令，通过配置 CP15 的控制寄存器（c1）来启用指令缓存和数据缓存 。

.global _start

 

_start:

    @ 1. 使用MRC指令读取CP15的控制寄存器c1的值到通用寄存器r0中

    MRC p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ [6,8](@ref)

 

    @ 2. 启用指令缓存（I Cache），设置第12位为1

    ORR r0, r0, #(1 << 12) @ 设置位12以启用I Cache [8](@ref)

 

    @ 3. 启用数据缓存（D Cache），设置第2位为1

    ORR r0, r0, #(1 << 2) @ 设置位2以启用D Cache [6,8](@ref)

 

    @ 4. 启用MMU（内存管理单元），设置第0位为1（通常缓存需与MMU配合工作）

    ORR r0, r0, #(1 << 0) @ 设置位0以启用MMU [8](@ref)

 

    @ 5. 使用MCR指令将修改后的配置值从r0写回CP15的控制寄存器c1

    MCR p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ [6,8](@ref)

 

    @ 6. 确保所有配置生效（内存屏障指令）

    ISB @ 指令同步屏障 [7](@ref)

 

    @ ... （后续可以执行其他代码）

 

    @ 示例：禁用数据缓存

    MRC p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ 再次读取控制寄存器

    BIC r0, r0, #(1 << 2) @ 清除第2位以禁用D Cache [6](@ref)

    MCR p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ 写回配置

    ISB

 

    @ 程序循环

    B .

 

 

七、关键点解析与注意事项

 

指令作用：代码通过  MRC  和  MCR  指令操作 CP15 的 c1 寄存器（系统控制寄存器），通过设置其中的特定控制位来启用或禁用相应的系统功能 。

 

内存屏障：在对系统关键配置进行修改后，使用  ISB  等内存屏障指令非常重要，它能确保在屏障之后的指令能够看到配置更改后的效果 。

 

特权级别：操作协处理器（尤其是 CP15）的指令通常需要在特权模式下运行，如果在非特权模式执行，可能会引发异常 。

 

硬件差异：不同型号的 ARM 处理器，其协处理器（特别是 CP15）寄存器的具体定义和行为可能存在差异。在实际开发中，务必参考对应芯片的详细技术参考手册 。

 

八、总结与演进

协处理器是 ARM 架构中用于扩展和增强核心 CPU 功能的重要组件 。通过专用的协处理器指令，我们可以精细地控制系统行为，这在操作系统底层开发、驱动编写和性能优化中至关重要 。

 

需要注意的是，在 ARMv8 开始的 64 位架构中，协处理器的概念有所弱化，许多功能被集成到核心指令集或通过新的系统寄存器进行控制 。