協(xié)處理器及其他指令之：協(xié)處理器指令

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9.1??協(xié)處理器指令

ARM體系結(jié)構(gòu)允許通過(guò)增加協(xié)處理器來(lái)擴(kuò)展指令集。最常用的協(xié)處理器是用于控制片上功能的系統(tǒng)協(xié)處理器。例如控制Cache和存儲(chǔ)管理單元的CP15寄存器。此外，還有用于浮點(diǎn)運(yùn)算的浮點(diǎn)ARM協(xié)處理器，各生產(chǎn)商還可以根據(jù)需要開(kāi)發(fā)自己的專用協(xié)處理器。

ARM協(xié)處理器具有自己專用的寄存器組，它們的狀態(tài)由控制ARM狀態(tài)的指令的鏡像指令來(lái)控制。

程序的控制流指令由ARM處理器來(lái)處理，所有協(xié)處理器指令只能同數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳送有關(guān)。按照RISC的Load/Store體系原則，數(shù)據(jù)的處理和傳送指令是被清楚分開(kāi)的，所以它們有不同的指令格式。

ARM處理器支持16個(gè)協(xié)處理器，在程序執(zhí)行過(guò)程中，每個(gè)協(xié)處理器忽略ARM和其他協(xié)處理器指令。當(dāng)一個(gè)協(xié)處理器硬件不能執(zhí)行屬于它的協(xié)處理器指令時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)未定義指令異常中斷，在該異常中斷處理過(guò)程中，可以通過(guò)軟件仿真該硬件操作。如果，一個(gè)系統(tǒng)中不包含向量浮點(diǎn)運(yùn)算器，則可以選擇浮點(diǎn)運(yùn)算軟件包來(lái)支持向量浮點(diǎn)運(yùn)算。

ARM協(xié)處理器可以部分地執(zhí)行一條指令，而后產(chǎn)生中斷。如除法運(yùn)算除數(shù)為0和溢出，這樣可以更好地處理運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生（run-time-generated）的異常。但是，指令的部分執(zhí)行是由協(xié)處理器完成的，此過(guò)程對(duì)ARM來(lái)說(shuō)是透明的。當(dāng)ARM處理器重新獲得執(zhí)行時(shí)，它將從產(chǎn)生異常的指令處開(kāi)始執(zhí)行。

對(duì)某一個(gè)協(xié)處理器來(lái)說(shuō)，并不一定用到協(xié)處理器指令中的所有的域。具體協(xié)處理器如何定義和操作完全由協(xié)處理器的制造商自己決定，因此ARM協(xié)處理器指令中的協(xié)處理器寄存器的標(biāo)識(shí)符以及操作助記符也有各種不同的實(shí)現(xiàn)定義。程序員可以通過(guò)宏定義這些指令的語(yǔ)法格式。

ARM協(xié)處理器指令分以下3類。

·??協(xié)處理器數(shù)據(jù)操作。協(xié)處理器數(shù)據(jù)操作完全是協(xié)處理器內(nèi)部操作，它完成協(xié)處理器寄存器的狀態(tài)改變。如浮點(diǎn)加運(yùn)算，在浮點(diǎn)協(xié)處理器中兩個(gè)寄存器相加，結(jié)果放在第3個(gè)寄存器中。這類指令包括CDP指令。

·??協(xié)處理器數(shù)據(jù)傳送指令。這類指令從寄存器讀取數(shù)據(jù)裝入?yún)f(xié)處理器寄存器，或?qū)f(xié)處理器寄存器的數(shù)據(jù)裝入存儲(chǔ)器。因?yàn)閰f(xié)處理器可以支持自己的數(shù)據(jù)類型，所以每個(gè)寄存器傳送的字?jǐn)?shù)與協(xié)處理器有關(guān)。ARM處理器產(chǎn)生存儲(chǔ)器地址，但傳送的字節(jié)由協(xié)處理器控制。這類指令包括LDC和STC指令。

·??協(xié)處理器寄存器傳送指令。在某些情況下，需要ARM處理器和協(xié)處理器之間傳送數(shù)據(jù)。如一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器，F(xiàn)IX指令從協(xié)處理器寄存器取得浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，將它轉(zhuǎn)換為整數(shù)，并將整數(shù)傳送到ARM寄存器中。經(jīng)常需要用浮點(diǎn)比較產(chǎn)生的結(jié)果來(lái)影響控制流，因此，比較結(jié)果必須傳送到ARM的CPSR中。這類協(xié)處理器寄存器傳送指令包括MCR和MRC。

表9.1列出了所有協(xié)處理器處理指令。

表9.1 協(xié)處理器指令

助??記??符	操????作
CDP	協(xié)處理器數(shù)據(jù)操作
LDC	裝載協(xié)處理器寄存器
MCR	從ARM寄存器傳數(shù)據(jù)到協(xié)處理器寄存器
MRC	從協(xié)處理器寄存器傳數(shù)據(jù)到ARM寄存器
STC	存儲(chǔ)協(xié)處理器寄存器

9.1.1??協(xié)處理器數(shù)據(jù)操作指令CDP

1．指令編碼格式

此指令用于控制數(shù)據(jù)在協(xié)處理器寄存器內(nèi)部的操作。通常情況下該指令由協(xié)處理器完成，如果協(xié)處理器不能成功地執(zhí)行該操作，將產(chǎn)生未定義指令異常。

指令的編碼格式如圖9.1所示。

圖9.1??CDP指令編碼格式

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2．指令的語(yǔ)法格式

CDP{<cond>}??<coproc>，<opcode_1>，<CRd>，<CRn>，<CRm>，<opcode_2>

CDP2??<coproc>，<opcode_1>，<CRd>，<CRn>，<CRm>，<opcode_2>

①?<cond>

為指令編碼中的條件域。它指示指令在什么條件下執(zhí)行。當(dāng)<cond>忽略時(shí)，指令為無(wú)條件執(zhí)行（cond=AL（Alway））。

②?CDP2

協(xié)處理器數(shù)據(jù)操作指令CDP的一種特殊格式。這種格式中指定編碼的條件域<cond>為ob1111。這種設(shè)計(jì)為協(xié)處理器的設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)靈活的擴(kuò)展空間。此指令只能無(wú)條件執(zhí)行。

③?<coproc>

指定協(xié)處理器的編號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)處理器的名字為p0、p1、…、p15。

④?<opcode_1>

指定協(xié)處理器執(zhí)行的操作碼，確定哪一個(gè)協(xié)處理器指令將被執(zhí)行。

⑤?<CRd>

作為目標(biāo)寄存器的協(xié)處理器寄存器。

⑥?<CRn>

確定包含第一個(gè)操作數(shù)的協(xié)處理器寄存器。

⑦?<CRm>

確定包含第二個(gè)操作數(shù)的協(xié)處理器寄存器。

⑧?<opcode_2>

指定協(xié)處理器執(zhí)行的操作碼，確定哪一個(gè)協(xié)處理器指令將被執(zhí)行。通常與<opcode_1>配合使用。

3．指令操作的偽代碼

指令操作的偽代碼如下面程序段所示。

If??ConditionPassed{cond}??then

?????Coprocessor[cp_num]－dependent?operation

注意

CDP指令通常被用來(lái)初始化協(xié)處理器。比如在作浮點(diǎn)運(yùn)算操作時(shí)，使用CDP指令初始化協(xié)處理器寄存器。

4．指令舉例

對(duì)協(xié)處理器P15進(jìn)行操作。第一操作數(shù)opcode_1=2，第二操作數(shù)opcode_2=4，目標(biāo)寄存器為協(xié)處理器寄存器c12，源寄存器分別為協(xié)處理器寄存器c10和c3。

CDP???p15，2，c12，c10，c3，4

5．指令的使用

·??CDP指令一般用于初始化協(xié)處理器，對(duì)ARM寄存器和存儲(chǔ)器沒(méi)有任何影響。

·??指令的編碼格式中，bits[31∶24]、bits[11∶8]和bit[4]為ARM體系結(jié)構(gòu)定義。其他域由各生產(chǎn)商定義。

·??硬件協(xié)處理器支持與否完全由生產(chǎn)商定義，某款A(yù)RM芯片中，是否支持協(xié)處理器或支持哪個(gè)協(xié)處理器與ARM版本無(wú)關(guān)。生產(chǎn)商可以選擇實(shí)現(xiàn)部分協(xié)處理器指令或者完全不支持協(xié)處理器。

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9.1.2??協(xié)處理器數(shù)據(jù)讀取指令LDC

1．指令編碼格式

LDC（Load?Coprocessor）指令通過(guò)一定的尋址模式從一系列連續(xù)的內(nèi)存單元將數(shù)據(jù)讀取到協(xié)處理器的寄存器中。如果協(xié)處理器不能成功地執(zhí)行操作，將產(chǎn)生未定義的指令異常中斷。

指令的編碼格式如圖9.2所示。

圖9.2??LDC指令編碼格式

2．指令的語(yǔ)法格式

LDC{<cond>}{L}???<coproc>，<CRd>，<addressing_mode>

LDC2{L}??????????<coproc>，<CRd>，<addressing_mode>

①?<cond>

為指令編碼中的條件域。它指示指令在什么條件下執(zhí)行。當(dāng)<cond>忽略時(shí)，指令為無(wú)條件執(zhí)行（cond=AL（Alway））。

②?LDC2

協(xié)處理器數(shù)據(jù)讀取指令LDC的一種特殊格式。這種格式中指定編碼的條件域<cond>為ob1111。這種設(shè)計(jì)為協(xié)處理器的設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)靈活的擴(kuò)展空間。此指令只能無(wú)條件執(zhí)行。

③?<coproc>

指定協(xié)處理器的編號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)處理器的名字為p0、p1、…、p15。

④?L

長(zhǎng)讀取操作指示域。設(shè)置指令編碼格式中的Nbit（bit[22]），如果該位設(shè)置為1，說(shuō)明指令是一個(gè)長(zhǎng)讀取指令；該位為0，說(shuō)明指令為短讀取指令。該指令常用于雙精度數(shù)據(jù)傳送。

⑤?<CRd>

確定協(xié)處理器目的寄存器。

⑥?<addressing_mode>

確定指令的尋址方式。它將指定指令編碼格式中的P、U、Rn、W和8_bit_word_offset域。

3．指令操作的偽代碼

指令操作的偽代碼如下面程序段所示。

If???ConditionPassed{cond}??then

??????Address=start_address

??????load??Memory[address,4]??for??Coprocess[cp_num]

??????while??{NotFinished{Conprocess[cp_num]}}

?????????????address=address+4

?????????????load?Memory[address,4]??for??Coprocessor[cp_num]

??????assert??address==end_address

4．指令舉例

（1）將數(shù)據(jù)從內(nèi)存?zhèn)魉偷絽f(xié)處理器p6寄存器c1中，使用寄存器尋址模式，將內(nèi)存地址放到ARM寄存器r4中。

LDC???p6，CR1，[r4]

（2）將數(shù)據(jù)從內(nèi)存?zhèn)魉偷絽f(xié)處理器p6寄存器c4中，使用寄存器變址尋址。

LDC???p6，CR4，[r2，＃4]

5．指令的使用

·??指令的編碼格式中，bits[31∶23]、bits[21∶16]和bits[11∶0]為ARM體系結(jié)構(gòu)定義。其他域由各生產(chǎn)商定義。

·??協(xié)處理器數(shù)據(jù)讀取指令忽略地址后兩位。如果系統(tǒng)中定義了系統(tǒng)控制協(xié)處理器，而且地址對(duì)齊檢測(cè)使能打開(kāi)，當(dāng)?shù)刂穊its[1∶0]！=0b00時(shí)，產(chǎn)生地址對(duì)齊異常。

·??硬件協(xié)處理器支持與否完全由生產(chǎn)商定義，某款A(yù)RM芯片中，是否支持協(xié)處理器或支持哪個(gè)協(xié)處理器與ARM版本無(wú)關(guān)。生產(chǎn)商可以選擇實(shí)現(xiàn)部分協(xié)處理器指令或者完全不支持協(xié)處理器。

·??指令中字的傳送數(shù)目由協(xié)處理器控制。ARM將連續(xù)產(chǎn)生后續(xù)地址，直到協(xié)處理器指示傳送應(yīng)該結(jié)束。在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，ARM將不影響中斷請(qǐng)求，所以協(xié)處理器設(shè)計(jì)者應(yīng)該注意不應(yīng)因?yàn)閭魉头浅ｉL(zhǎng)的數(shù)據(jù)而損壞系統(tǒng)的中斷響應(yīng)時(shí)間。

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9.1.3??協(xié)處理器數(shù)據(jù)寫入指令STC

1．指令編碼格式

STC（Store?Coprocessor）指令通過(guò)一定的尋址模式將協(xié)處理器寄存器中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一系列連續(xù)的內(nèi)存單元中。如果協(xié)處理器不能成功地執(zhí)行操作，將產(chǎn)生未定義的指令異常中斷。

指令的編碼格式如圖9.3所示。

圖9.3??STC指令編碼格式

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2．指令的語(yǔ)法格式

STC{<cond>}{L}???<coproc>，<CRd>，<addressing_mode>

STC2{L}??????????<coproc>，<CRd>，<addressing_mode>

①?<cond>

為指令編碼中的條件域。它指示指令在什么條件下執(zhí)行。當(dāng)<cond>忽略時(shí)，指令為無(wú)條件執(zhí)行（cond=AL（Alway））。

②?STC2

協(xié)處理器數(shù)據(jù)寫入指令STC的一種特殊格式。這種格式中指定編碼的條件域<cond>為ob1111。這種設(shè)計(jì)為協(xié)處理器的設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)靈活的擴(kuò)展空間。此指令只能無(wú)條件執(zhí)行。

③?<coproc>

指定協(xié)處理器的編號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)處理器的名字為p0、p1、…、p15。

④?L

長(zhǎng)寫入操作指示域。設(shè)置指令編碼格式中的Nbit（bit[22]），如果該位設(shè)置為1，說(shuō)明指令是一個(gè)長(zhǎng)寫入指令；該位為0，說(shuō)明指令為短寫入指令。該指令常用于雙精度數(shù)據(jù)傳送。

⑤?<CRd>

確定協(xié)處理器目的寄存器。

⑥?<addressing_mode>

確定指令的尋址方式。它將指定指令編碼格式中的P、U、Rn、W和8_bit_word_offset域。

3．指令操作的偽代碼

指令操作的偽代碼如下面程序段所示。

If???ConditionPassed{cond}??then

??????Address=start_address

??????Memory[address,4]?=?value?from?Coprocess[cp_num]

??????while??{NotFinished{Conprocess[cp_num]}}

?????????????address=address+4

?????????????Memory[address,4]?=?value?from?Coprocessor[cp_num]

??????assert??address==end_address

4．指令舉例

（1）將協(xié)處理器p8和寄存器c8的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器中。尋址模式采用后寄存器尋址變址模式，內(nèi)存基地址放入ARM寄存器r2中。

STC???p8，CR8，[r2，＃4]！

（2）將協(xié)處理器p8和寄存器c9的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器中。

STC???p8，CR9，[r2]，＃-16

5．指令的使用

詳見(jiàn)LDC指令。

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

1．指令編碼格式

ARM寄存器到協(xié)處理器寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令MCR（Move?to?Coprocessor?from?ARM?Register）將ARM寄存器<Rd>的值傳送到協(xié)處理器寄存器cp_num中。如果沒(méi)有協(xié)處理器執(zhí)行指定操作，將產(chǎn)生未定義指令異常。

指令的編碼格式如圖9.4所示。

圖9.4??MCR指令編碼格式

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2．指令的語(yǔ)法格式

MCR{<cond>}??<coproc>，<opcode_1>，<Rd>，<CRn>，<CRm>{，<opcode_2>}

MCR2?????????<coproc>，<opcode_1>，<Rd>，<CRn>，<CRm>{，<opcode_2>}

①?<cond>

為指令編碼中的條件域。它指示指令在什么條件下執(zhí)行。當(dāng)<cond>忽略時(shí)，指令為無(wú)條件執(zhí)行（cond=AL（Alway））。

②?MCR2

MCR2指令的一種特殊格式。這種格式中指定編碼的條件域<cond>為ob1111。這種設(shè)計(jì)為協(xié)處理器的設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)靈活的擴(kuò)展空間。此指令只能無(wú)條件執(zhí)行。

③?<coproc>

指定協(xié)處理器的編號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)處理器的名字為p0、p1、…、p15。

④?<opcode_1>

指定協(xié)處理器執(zhí)行的操作碼，確定哪一個(gè)協(xié)處理器指令將被執(zhí)行。

⑤?<Rd>

確定哪一個(gè)ARM寄存器的數(shù)值將被傳送。如果程序計(jì)數(shù)器PC的值被傳送，指令的執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。

⑥?<CRn>

確定包含第一個(gè)操作數(shù)的協(xié)處理器寄存器。

⑦?<CRm>

確定包含第二個(gè)操作數(shù)的協(xié)處理器寄存器。

⑧?<opcode_2>

指定協(xié)處理器執(zhí)行的操作碼，確定哪一個(gè)協(xié)處理器指令將被執(zhí)行。通常與<opcode_1>配合使用。

3．指令操作的偽代碼

指令操作的偽代碼如下面程序段所示。

If??ConditionPassed{cond}??then

?????Send??Rd?value?to?coprocessor[cp_num]

4．指令舉例

將ARM寄存器r7中的值傳送到協(xié)處理器p14的寄存器c7中，第一操作數(shù)opcode_1=1，第二操作數(shù)opcode_2=6。

MCR???p14，1，r7，c7，c12，6

5．指令的使用

·??指令的編碼格式中，bits[31∶24]、bit[20]、bits[15∶8]和bit[4]為ARM體系結(jié)構(gòu)定義。其他域由各生產(chǎn)商定義。

·??硬件協(xié)處理器支持與否完全由生產(chǎn)商定義，某款A(yù)RM芯片中，是否支持協(xié)處理器或支持哪個(gè)協(xié)處理器與ARM版本無(wú)關(guān)。生產(chǎn)商可以選擇實(shí)現(xiàn)部分協(xié)處理器指令或者完全不支持協(xié)處理器。

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

1．指令編碼格式

協(xié)處理器寄存器到ARM寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令MRC（Move?to?ARM?register?from?Coprocessor）將協(xié)處理器cp_num的寄存器的值傳送到ARM寄存器中。如果沒(méi)有協(xié)處理器執(zhí)行指定操作，將產(chǎn)生未定義指令異常。

指令的編碼格式如圖9.5所示。

圖9.5??MRC指令編碼格式

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2．指令的語(yǔ)法格式

MRC{<cond>}??<coproc>，<opcode_1>，<Rd>，<CRn>，<CRm>{，<opcode_2>}

MRC2?????????<coproc>，<opcode_1>，<Rd>，<CRn>，<CRm>{，<opcode_2>}

①?<cond>

為指令編碼中的條件域。它指示指令在什么條件下執(zhí)行。當(dāng)<cond>忽略時(shí)，指令為無(wú)條件執(zhí)行（cond=AL（Alway））。

②?MRC2

MRC2指令的一種特殊格式。這種格式中指定編碼的條件域<cond>為ob1111。這種設(shè)計(jì)為協(xié)處理器的設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)靈活的擴(kuò)展空間。此指令只能無(wú)條件執(zhí)行。

③?<coproc>

指定協(xié)處理器的編號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)處理器的名字為p0、p1、…、p15。

④?<opcode_1>

指定協(xié)處理器執(zhí)行的操作碼，確定哪一個(gè)協(xié)處理器指令將被執(zhí)行。

⑤?<Rd>

確定哪一個(gè)ARM寄存器接受協(xié)處理器傳送的數(shù)值。如果程序計(jì)數(shù)器PC被用作目的寄存器，指令的執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。

⑥?<CRn>

確定包含第一個(gè)操作數(shù)的協(xié)處理器寄存器。

⑦?<CRm>

確定包含第二個(gè)操作數(shù)的協(xié)處理器寄存器。

⑧?<opcode_2>

指定協(xié)處理器執(zhí)行的操作碼，確定哪一個(gè)協(xié)處理器指令將被執(zhí)行。通常與<opcode_1>配合使用。

3．指令操作的偽代碼

指令操作的偽代碼如下面程序段所示。

If??ConditionPassed{cond}??then

?????Data=value?from?coprocessor[cp_num]

?????If?Rd?is?R15?then

???????????N??flag?=?data[31]

???????????Z??flag?=?data[30]

???????????C??flag?=?data[29]

???????????V??flag?=?data[28]

?????Else??/*Rd?≠R15*/

???????????Rd?=?data

4．指令舉例

協(xié)處理器源寄存器為c0和c2，目的寄存器為ARM寄存器r4，第一操作數(shù)opcode_1=5，第二操作數(shù)opcode_2=3。

MRC??p15，5，r4，c0，c2，3

5．指令的使用

·??如果目的寄存器為程序計(jì)數(shù)器r15，則程序狀態(tài)字條件標(biāo)準(zhǔn)位根據(jù)傳送數(shù)據(jù)的前4bit確定，后28bit被忽略。

·??指令的編碼格式中，bits[31∶24]、bit[20]、bits[15∶8]和bit[4]為ARM體系結(jié)構(gòu)定義。其他域由各生產(chǎn)商定義。

·??硬件協(xié)處理器支持與否完全由生產(chǎn)商定義，某款A(yù)RM芯片中，是否支持協(xié)處理器或支持哪個(gè)協(xié)處理器與ARM版本無(wú)關(guān)。生產(chǎn)商可以選擇實(shí)現(xiàn)部分協(xié)處理器指令或者完全不支持協(xié)處理器。

·??如果協(xié)處理器必須完成一些內(nèi)部工作來(lái)準(zhǔn)備一個(gè)32位數(shù)據(jù)向ARM傳送（例如，浮點(diǎn)FIX操作必須將浮點(diǎn)值轉(zhuǎn)換為等效的定點(diǎn)值），那么這些工作必須在協(xié)處理器提交傳送前進(jìn)行。因此，在準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)常需要協(xié)處理器握手信號(hào)處于“忙－等待”狀態(tài)。ARM可以在忙－等待時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生中斷。如果它確實(shí)得以中斷，那么它將暫停握手以服務(wù)中斷。當(dāng)它從中斷服務(wù)程序返回時(shí)，將可能重試協(xié)處理器指令，但也可能不重試。例如，中斷可能導(dǎo)致任務(wù)切換。無(wú)論哪種情況，協(xié)處理器必須給出一致結(jié)果，因此，在握手提交階段之前的準(zhǔn)備工作不允許改變處理器的可見(jiàn)狀態(tài)。