ARM寄存器簡(jiǎn)介

（1）31個(gè)通用寄存器：包括程序計(jì)數(shù)器PC等，這些寄存器都是32位寄存器。

（2）6個(gè)狀態(tài)寄存器：狀態(tài)寄存器也是32位的寄存器，但是只使用了其中的12位。

1．通用寄存器
在ARM處理器的7種模式下都有一組對(duì)應(yīng)的寄存器組。在任意時(shí)刻，可見(jiàn)的寄存器組包括15個(gè)通用寄存器R0～R14、一個(gè)或兩個(gè)狀態(tài)寄存器和PC。在所有的寄存器中，有些是各種模式下共用的同一個(gè)物理寄存器，有些是各種模式自己獨(dú)立擁有的物理寄存器。詳細(xì)如表1-3所示。

表1-3 ARM物理寄存器

通用寄存器通常又可以分為下面3類。

n 未備份寄存器：包括R0～R7。

n 備份寄存器：包括R8～R14。

n 程序計(jì)數(shù)器PC：即R15。

1）未備份寄存器R0～R7

對(duì)于每個(gè)未備份寄存器來(lái)說(shuō)，在所有的處理器模式下指的都是同一個(gè)物理寄存器，在異常中斷造成處理器模式切換時(shí)，由于不同的處理器模式使用相同的物理寄存器，可能造成寄存器中數(shù)據(jù)被破壞。未備份寄存器沒(méi)有被系統(tǒng)用于特別的用途，任何可采用通用寄存器的應(yīng)用場(chǎng)合都可以使用未備份寄存器。

2）備份寄存器R8～R14

備份寄存器中的每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)于兩個(gè)不同的物理寄存器。例如，當(dāng)使用快速中斷模式下的寄存器時(shí)，寄存器R8和寄存器R9分別記做R8_fiq和 R9_fiq，當(dāng)使用用戶模式下的寄存器時(shí)，寄存器R8和寄存器R9分別記做R8_usr和R9_usr等。在這兩種情況下使用的是不同的物理寄存器，系統(tǒng)沒(méi)有將這幾個(gè)寄存器用于任何的特殊用途。中斷處理非常簡(jiǎn)單，僅僅使用R8～R14寄存器時(shí)，F(xiàn)IQ處理程序可以不必執(zhí)行保存和恢復(fù)中斷現(xiàn)場(chǎng)的指令，從而可以使中斷處理過(guò)程很迅速。

對(duì)于備份寄存器R13、R14來(lái)說(shuō)，每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)于6個(gè)不同的物理寄存器，其中的一個(gè)是用戶模式和系統(tǒng)模式共用的，另外的5個(gè)則對(duì)應(yīng)于其他5種處理器模式，采用下面的方法來(lái)標(biāo)識(shí)。

R13_，

其中是usr、svc、abt、und、irq和fiq的一種。

R13通常用做堆棧指針。每一種模式都擁有自己的物理R13。程序初始化R13，使其指向該模式專用的棧地址。當(dāng)進(jìn)入該模式時(shí)，可以將需要使用的寄存器保存在R13所指的棧中，當(dāng)退出該模式時(shí)，將保存在R13所指的棧中的寄存器值彈出。這樣就實(shí)現(xiàn)了程序的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。

寄存器R14又被稱為連接寄存器（LR），在ARM中有下面兩種特殊用途。

① 每一種處理器模式在自己的物理R14中存放當(dāng)前子程序的返回地址。當(dāng)通過(guò)BL或者BLX指令調(diào)用子程序時(shí)，R14被設(shè)置成該子程序的返回地址。在子程序中，當(dāng)把R14的值復(fù)制到程序計(jì)數(shù)器PC中時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了子程序返回。

可以通過(guò)下面兩種方式實(shí)現(xiàn)這種子程序的返回操作。

◆執(zhí)行下面任何一條指令

MOV pc, LR

BX LR

◆在子程序入口使用下面指令將PC保存到棧中：

STMFD SP!, {registers}, LR}

相應(yīng)地，下面的指令可以實(shí)現(xiàn)子程序的返回：

LDMFD SP!, { registers}, LR }

② 當(dāng)發(fā)生異常中斷的時(shí)候，該模式下的特定物理R14被設(shè)置成該異常模式將要返回的地址。對(duì)于某些異常，R14的值可能與將返回的地址有一個(gè)常數(shù)的偏移量。具體的返回方式與上面的子程序返回方式基本相同。

3）程序計(jì)數(shù)器PC→R15

程序計(jì)數(shù)器R15又被記作PC。它雖然可以作為一般的通用寄存器使用，但是有一些指令在使用R15時(shí)有一些特殊限制。當(dāng)違反了這些限制時(shí)，該指令執(zhí)行的結(jié)果將是不可預(yù)料的。

由于ARM采用了流水線機(jī)制，當(dāng)正確讀取了PC的值時(shí)，該值為當(dāng)前指令地址值加8個(gè)字節(jié)。也就是說(shuō)，對(duì)于ARM指令集來(lái)說(shuō)，PC指向當(dāng)前指令的下兩條指令的地址。由于ARM指令是字對(duì)齊的，PC值的第0位和第1位總為0。
需要注意的是，當(dāng)使用指令STR／STM保存R15時(shí)，保存的可能是當(dāng)前指令地址值加8字節(jié)，也可能保存的是當(dāng)前指令地址加12字節(jié)。到底是哪種方式，取決于芯片具體設(shè)計(jì)方式。無(wú)論如何，在同一芯片中，要么采用當(dāng)前指令地址加8，要么采用當(dāng)前指令地址加12，不能有些指令采用當(dāng)前指令地址加8，另一些指令采用當(dāng)前指令地址加12。因此對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，盡量避免使用STR／STM指令來(lái)保存R15的值。當(dāng)不可避免這種使用方式時(shí)，可以先通過(guò)一些代碼來(lái)確定所用的芯片使用的是哪種實(shí)現(xiàn)方式。

假設(shè)R0指向可用的一個(gè)內(nèi)存字，下面代碼可以在R0指向的內(nèi)存字中返回該芯片所采用的地址偏移量。

SUB R1, PC, #4 ;R1中存放下面STR指令的地址

STR PC, [R0] ;將PC=STR地址+offset保存到R0中

LDR R0, [R0] ;

SUB R0, R0, R1 ;offset=PC-STR地址

2．程序狀態(tài)寄存器
CPSR（當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器）可以在任何處理器模式下被訪問(wèn)。每一種模式下都有一個(gè)專用的物理狀態(tài)寄存器，稱為SPSR（備份程序狀態(tài)寄存器）。當(dāng)特定的異常中斷發(fā)生時(shí)，這個(gè)寄存器用于存放當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。在異常退出時(shí)，可以用 SPSR中保存的值來(lái)恢復(fù)CPSR。CPSR的具體格式如下。

1）條件標(biāo)志位

N（Negative）、Z（Zero）、C（Carry）及V（oVerflow）統(tǒng)稱為條件標(biāo)志位。大部分的ARM指令可以依據(jù)CPSR中的這些標(biāo)志位來(lái)選擇性地執(zhí)行。各條件標(biāo)志位的具體含義，如表1-4所示。

表CPSR標(biāo)志位含義

2）Q標(biāo)志位

在ARM v5的E系列處理器中，CPSR的bit[27]稱為Q標(biāo)志位，主要用于指示增強(qiáng)的DSP指令是否發(fā)生了溢出，同樣的，SPSR的bit[27]也稱為Q標(biāo)志位，用于在異常中斷發(fā)生時(shí)保存和恢復(fù)CPSR中的Q標(biāo)志位。

3）CPSR中的控制位

CPSR的低8位I、F、T及M[4：0]統(tǒng)稱為控制位，當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)這些位發(fā)生變化。在特權(quán)級(jí)的處理器模式下，軟件可以修改這些控制位。

① I中斷禁止位

當(dāng)I＝1時(shí)禁止IRQ中斷。

當(dāng)F＝1時(shí)禁止FIQ中斷。

通常一旦進(jìn)入中斷服務(wù)程序可以通過(guò)置位I和F來(lái)禁止中斷，但是在本中斷服務(wù)程序退出前必須恢復(fù)原來(lái)I、F位的值。

② T控制位，用來(lái)控制指令執(zhí)行的狀態(tài)，即說(shuō)明本指令是ARM指令還是Thumb指令。對(duì)于不同版本的ARM處理器，T控制位的含義是有些不同的。

對(duì)于ARM v3及更低的版本和ARM v4的非T系列版本的處理器，沒(méi)有ARM和Thumb指令的切換，所以T始終為0。

對(duì)于ARM v4及更高版本的T系列處理器，T控制位含義如下。

當(dāng)T＝0，表示執(zhí)行ARM指令。

當(dāng)T＝1，表示執(zhí)行Thumb指令。

對(duì)于ARM v5及更高的版本的非T系列處理器，T控制位的含義如下。

當(dāng)T＝0表示執(zhí)行ARM指令。

當(dāng)T＝1表示強(qiáng)制下一條執(zhí)行的指令產(chǎn)生為定義指令中斷。

③ M 控制位

控制位M[4:0]稱為處理器模式標(biāo)識(shí)位，具體說(shuō)明如表1-5所示。

表CPSR 處理器模式位

④CPSR的其他位用于將來(lái)ARM版本的擴(kuò)展，程序可以先不操作這些位。