ARM匯編編程基礎(chǔ)之一-寄存器

ARM寄存器分為2類，普通寄存器和狀態(tài)寄存器

請(qǐng)看上表的第2列，普通寄存器總共16個(gè)，分別為R0-R15；狀態(tài)寄存器共2個(gè)，分別為CPSR和SPSR

普通寄存器中特別要提出來的是R13、R14、R15。

R15別名PC（program counter），中文稱為程序計(jì)數(shù)器，它的值是當(dāng)前正在執(zhí)行的指令在內(nèi)存中的位置（不考慮流水線的影響，參見流水線對(duì)PC值的影響一文），而當(dāng)指令執(zhí)行結(jié)束后，CPU硬件會(huì)自動(dòng)將PC的值加上一個(gè)單位，從而使得PC的值為下一條即將執(zhí)行的指令在內(nèi)存中的位置，這樣CPU硬件就可以根據(jù)PC的值自動(dòng)完成取指的操作。正是由于有PC的存在，以及CPU硬件會(huì)自動(dòng)增加PC的值，并根據(jù)PC的值完成取指操作，才使得CPU一旦上電就永不停歇地運(yùn)轉(zhuǎn)，由此可見PC寄存器對(duì)于計(jì)算機(jī)的重要性。對(duì)于我們進(jìn)行匯編程序編寫而言，PC寄存器亦是十分重要，因?yàn)楫?dāng)程序員通過匯編指令完成了對(duì)PC寄存器的賦值操作的時(shí)候，其實(shí)就是完成了一次無條件跳轉(zhuǎn)，這一點(diǎn)非常重要，請(qǐng)務(wù)必要牢記。

R14別名LR（linked register），中文稱為鏈接寄存器，它與子程序調(diào)用密切相關(guān)，用于存放子程序的返回地址，它是ARM程序?qū)崿F(xiàn)子程序調(diào)用的關(guān)鍵所在。下面我們用C語言中對(duì)子程序調(diào)用的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)來說明LR是如何被使用的。

1 int main(void)
2 {
3int k, i = 1, j = 2;
4addsub(i, j);
5k = 3;
6 }

7 int addsub(int a, int b)
8 {
9int c;
10c = a + b;
11return c;
12 }

對(duì)于上面的程序，編譯器會(huì)將第4行編譯為指令：BL addsub，將第11行編譯為指令：MOV pc, lr。（關(guān)于ＢＬ和ＭＯＶ指令詳見“基本尋址模式與基本指令”）

在這里，關(guān)鍵指令BL addsub會(huì)完成2件事情：１、將子程序的返回地址（也就是第５行代碼在內(nèi)存中的位置）保存到寄存器LR中；２、跳轉(zhuǎn)到子程序addsub的第１條指令處。這樣就完成了子程序的調(diào)用。而指令MOV pc, lr則將保存在lr中的返回地址賦給pc，這樣就完成了從子程序的返回。由此可見，lr是用于存放子程序的返回地址的。

另外一個(gè)要引起注意的問題是，如果子程序又調(diào)用了孫子程序，那么根據(jù)前面的分析，在調(diào)用孫子程序時(shí)，lr寄存器中的值將從子程序的返回地址變?yōu)閷O子程序的返回地址，這將導(dǎo)致從孫子程序返回子程序沒有問題，但從子程序返回父程序則會(huì)出錯(cuò)。那么這個(gè)問題如何解決呢？其實(shí)，如果我們編寫的是Ｃ程序，那么我們一點(diǎn)也不用擔(dān)心，因?yàn)榫幾g器會(huì)為我們考慮一切，針對(duì)這個(gè)問題，編譯器會(huì)在孫子程序的入口處增加入棧操作將ｌｒ的值入棧，然后在孫子程序的返回處增加出棧操作，將ｌｒ的值恢復(fù)，從而解決這個(gè)難題。不過我們一定要保持頭腦的清醒，因?yàn)槟阋?，我們現(xiàn)在是在編寫匯編子程序，此時(shí)編譯器已經(jīng)不能在這方面給我們提供保障，所以當(dāng)你在編寫匯編子程序的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)該子程序還要再調(diào)用孫子程序，那么請(qǐng)你務(wù)必記住，一定要在子程序的入口處保存lr寄存器的值。

好了，現(xiàn)在輪到寄存器Ｒ13了，Ｒ13又名SP（stack pointer），中文名稱棧指針寄存器。顧名思義，它是用于存放堆棧的棧頂?shù)刂返?。也就是說，每次當(dāng)我們進(jìn)行出棧和入棧的時(shí)候，都將根據(jù)該寄存器的值來決定訪問內(nèi)存的位置（即：出入棧的內(nèi)存位置），同時(shí)在出棧和入棧操作完成后，SP寄存器的值也應(yīng)該相應(yīng)增加或減少。這里要特別說明的是，其實(shí)在３２位的ＡＲＭ指令集中沒有專門的入棧指令和出棧指令，所以并不是一定要用ＳＰ來作為棧指針寄存器，除了ＰＣ外，任何普通寄存器均可作為棧指針寄存器，只不過，約定俗成都使用ＳＰ罷了。我們將在“其它尋址模式與其它指令”一文中見到ＡＲＭ中使用ＳＰ作為棧指針寄存器的出入棧指令。

寄存器Ｒ０－Ｒ１２是普通的數(shù)據(jù)寄存器，可用于任何地方。在不涉及ＡＴＰＣＳ規(guī)則（在“ATPCS與混合編程”一文中詳細(xì)介紹）的情況下，他們并沒有什么特別的用法。

狀態(tài)寄存器ＣＰＳＲ（current program status register），中文名稱：當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器，顧名思義它是用于保存程序的當(dāng)前狀態(tài)的。那么，程序的哪些狀態(tài)是需要保存的呢？

上圖是ＣＰＳＲ寄存器的內(nèi)容，主要由以下部分組成：

１、條件代碼標(biāo)志位。它們是ＡＲＭ指令條件執(zhí)行的依據(jù)。

Ｎ：運(yùn)算結(jié)果的最高位反映在該標(biāo)志位。對(duì)于有符號(hào)二進(jìn)制補(bǔ)碼，結(jié)果為負(fù)數(shù)時(shí)N=1，結(jié)果為正數(shù)或零時(shí)N=0；

Ｚ：指令結(jié)果為0時(shí)Z=1（通常表示比較結(jié)果“相等”），否則Z=0；

C：當(dāng)進(jìn)行加法運(yùn)算(包括CMN指令)，并且最高位產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)C=1，否則C=0。當(dāng)進(jìn)行減法運(yùn)算(包括CMP 指令)，并且最高位產(chǎn)生借位時(shí)C=0，否則C=1。對(duì)于結(jié)合移位操作的非加法/減法指令，C為從最高位最后移出的值，其它指令C通常不變

V：當(dāng)進(jìn)行加法/減法運(yùn)算，并且發(fā)生有符號(hào)溢出時(shí)V=1，否則V=0，其它指令V通常不變

２、控制位。它們將控制ＣＰＵ是否響應(yīng)中斷。

Ｉ：中斷禁止位，當(dāng)I位置位時(shí)，IRQ中斷被禁止

Ｆ：快中斷禁止位，當(dāng)F位置位時(shí)，F(xiàn)IQ中斷被禁止

T：反映了ＣＰＵ當(dāng)前的狀態(tài)。當(dāng)T位置位時(shí)，處理器正在Thumb狀態(tài)下運(yùn)行；當(dāng)T位清零時(shí)，處理器正在ARM狀態(tài)下運(yùn)行

３、模式位

包括M4、M3、M2、M1和M0，這些位決定了處理器的模式（關(guān)于處理器模式詳見“ARM處理器模式與異常初步”一文）。

總共有７種模式：用戶、快中斷、中斷、管理、中止、未定義、系統(tǒng)，分別會(huì)用于不同的情況和異常。由此可見，不是所有模式位的組合都定義了有效的處理器模式，如果使用了錯(cuò)誤的設(shè)置，將引起一個(gè)無法恢復(fù)的錯(cuò)誤。

SPSR（saved program status register），中文名稱：保存的程序狀態(tài)寄存器

該寄存器的結(jié)構(gòu)與CPSR完全一樣，在異常發(fā)生時(shí)（關(guān)于異常，請(qǐng)參見“ARM處理器模式與異常初步”一文），由硬件自動(dòng)將異常發(fā)生前的CPSR的值存放到SPSR中，以便將來在異常處理結(jié)束后，程序能恢復(fù)原來CPSR的值。