ARM微處理器的編程模型之：ARM寄存器組織

1．未分組寄存器

未分組寄存器包括r0～r7。顧名思義，在所有處理器模式下對(duì)于每一個(gè)未分組寄存器來說，指的都是同一個(gè)物理寄存器。未分組寄存器沒有被系統(tǒng)用于特殊的用途，任何可采用通用寄存器的應(yīng)用場(chǎng)合都可以使用未分組寄存器。但由于其通用性，在異常中斷所引起的處理器模式切換時(shí)，其使用的是相同的物理寄存器，所以也就很容易使寄存器中的數(shù)據(jù)被破壞。

2. 分組寄存器

r8～r14是分組寄存器，它們每一個(gè)訪問的物理寄存器取決于當(dāng)前的處理器模式。

對(duì)于這些分組寄存器r8～r12來說，每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的物理寄存器。一組用于除FIQ模式外的所有處理器模式，而另一組則專門用于FIQ模式。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于加快FIQ的處理速度。不同模式下寄存器的使用，要使用寄存器名后綴加以區(qū)分，例如，當(dāng)使用FIQ模式下的寄存器時(shí)，寄存器r8和寄存器r9分別記做r8_fiq, r9_fiq；當(dāng)使用用戶模式下的寄存器時(shí)，寄存器r8和r9分別記做r8_usr, r9_usr等。在ARM體系結(jié)構(gòu)中，r8～r12沒有任何指定的其他的用途，所以當(dāng)FIQ中斷到達(dá)時(shí)，不用保存這些通用寄存器，也就是說FIQ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程非常迅速。所以FIQ模式常被用來處理一些時(shí)間緊急的任務(wù)，如DMA處理。

對(duì)于分組寄存器r13和r14來說，每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)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)模式公用的，而另外5個(gè)分別用于5種異常模式。訪問時(shí)需要指定它們的模式。名字形式如下：

· r13_mode>

· r14_mode>

其中mode>可以是以下幾種模式之一：usr、svc、abt、und、irp及fiq。

r13寄存器在ARM中常用作堆棧指針，稱為SP。當(dāng)然，這只是一種習(xí)慣用法，并沒有任何指令強(qiáng)制性的使用r13作為堆棧指針，用戶完全可以使用其他寄存器作為堆棧指針。而在Thumb指令集中，有一些指令強(qiáng)制性的將r13作為堆棧指針，如堆棧操作指令。

每一種異常模式擁有自己的r13。異常處理程序負(fù)責(zé)初始化自己的r13，使其指向該異常模式專用的棧地址。在異常處理程序入口處，將用到的其他寄存器的值保存在堆棧中，返回時(shí)，重新將這些值加載到寄存器。通過這種保護(hù)程序現(xiàn)場(chǎng)的方法，異常不會(huì)破壞被其中斷的程序現(xiàn)場(chǎng)。

寄存器r14又被稱為連接寄存器（Link Register，LR），在ARM體系結(jié)構(gòu)中具有下面兩種特殊的作用。

（1）每一種處理器模式用自己的r14存放當(dāng)前子程序的返回地址。當(dāng)通過BL或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。在子程序返回時(shí)，把r14的值復(fù)制到程序計(jì)數(shù)器PC。典型的做法是使用下列兩種方法之一。

· 執(zhí)行下面任何一條指令。

MOV PC, LR

BX LR

· 在子程序入口處使用下面的指令將PC保存到堆棧中。

STMFD SP!, {register>,LR}

在子程序返回時(shí)，使用如下相應(yīng)的配套指令返回。

LDMFD SP!, {register>,PC}

（2）當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)，該異常模式特定的物理寄存器r14被設(shè)置成該異常模式的返回地址，對(duì)于有些模式r14的值可能與返回地址有一個(gè)常數(shù)的偏移量（如數(shù)據(jù)異常使用SUB PC, LR,#8返回）。具體的返回方式與上面的子程序返回方式基本相同，但使用的指令稍微有些不同，以保證當(dāng)異常出現(xiàn)時(shí)正在執(zhí)行的程序的狀態(tài)被完整保存。

R14也可以被用作通用寄存器使用。

3.3.2 程序計(jì)數(shù)器r15

程序計(jì)算器r15又被記為PC。它有時(shí)可以被和r0－r14一樣用作通用寄存器，但很多特殊的指令在使用r15時(shí)有些限制。當(dāng)違反了這些指令的使用限制時(shí)，指令的執(zhí)行結(jié)果是不可預(yù)知的。

程序計(jì)數(shù)器在下面兩種情況下用于特殊的目的。

· 讀程序計(jì)數(shù)器。

· 寫程序計(jì)數(shù)器。