ARM寄存器介绍

ARM处理器共有37个寄存器。其中包括：31个通用寄存器，包括程序计数器(PC)在内。这些寄存器都是32位寄存器。以及6个32位状态寄存器。但目前只使用了其中12位。ARM处理器共有7种不同的处理器模式，在每一种处理器模式中有一组相应的寄存器组。任意时刻(也就是任意的处理器模式下)，可见的寄存器包括15个通用寄存器(R0～R14)、一个或两个状态寄存器及程序计数器(PC)。在所有的寄存器中，有些是各模式共用的同一个物理寄存器；有一些寄存器是各模式自己拥有的独立的物理寄存器。表1列出了各处理器模式下可见的寄存器情况。

表1  各种处理器模式下的寄存器

通用寄存器可以分为下面3类：未备份寄存器(The unbanked registers)，包括R0～R7。备份寄存器(The banked registers)，包括R8～R14。程序计数器PC，即R15。

未备份寄存器包括R0～R7。对于每一个未备份寄存器来说，在所有的处理器模式下指的都是同一个物理寄存器。在异常中断造成处理器模式切换时，由于不同的处理器模式使用相同的物理寄存器，可能造成寄存器中数据被破坏。未备份寄存器没有被系统用于特别的用途，任何可采用通用寄存器的应用场合都可以使用未备份寄存器。

对于备份寄存器R8～R12来说，每个寄存器对应两个不同的物理寄存器。例如，当使用快速中断模式下的寄存器时，寄存器R8和寄存器R9分别记作R8_fiq、R9_fiq；当使用用户模式下的寄存器时，寄存器R8和寄存器R9分别记作R8_usr、R9_usr等。在这两种情况下使用的是不同的物理寄存器。系统没有将这几个寄存器用于任何的特殊用途，但是当中断处理非常简单，仅仅使用R8～R14寄存器时，FIQ处理程序可以不必执行保存和恢复中断现场的指令，从而可以使中断处理过程非常迅速。对于备份寄存器R13和R14来说，每个寄存器对应6个不同的物理寄存器，其中的一个是用户模式和系统模式共用的；另外的5个对应于其他5种处理器模式。采用记号R13_<mode>来区分各个物理寄存器：

其中，<mode>可以是下面几种模式之一：usr、svc、abt、und、irq及fiq。

寄存器R13在ARM中常用作栈指针。在ARM指令集中，这只是一种习惯的用法，并没有任何指令强制性的使用R13作为栈指针，用户也可以使用其他的寄存器作为栈指

针；而在Thumb指令集中，有一些指令强制性地使用R13作为栈指针。

每一种异常模式拥有自己的物理的R13。应用程序初始化该R13，使其指向该异常模式专用的栈地址。当进入异常模式时，可以将需要使用的寄存器保存在R13所指的栈中；当退出异常处理程序时，将保存在R13所指的栈中的寄存器值弹出。这样就使异常处理程序不会破坏被其中断程序的运行现场。

寄存器R14又被称为连接寄存器(Link Register，LR)，在ARM体系中具有下面两种特殊的作用：每一种处理器模式自己的物理R14中存放在当前子程序的返回地址。当通过BL或BLX指令调用子程序时，R14被设置成该子程序的返回地址。在子程序中，当把R14的值复制到程序计数器PC中时，子程序即返回。

当异常中断发生时，该异常模式特定的物理R14被设置成该异常模式将要返回的地址，对于有些异常模式，R14的值可能与将返回的地址有一个常数的偏移量。具体的返回方式与上面的子程序返回方式基本相同。

R14寄存器也可以作为通用寄存器使用。   

程序计数器R15又被记作PC。它虽然可以作为一般的通用寄存器使用，但是有一些指令在使用R15时有一些特殊限制。当违反了这些限制时，该指令执行的结果将是不可预料的。

由于ARM采用了流水线机制，当正确读取了PC的值时，该值为当前指令地址值加8个字节。也就是说，对于ARM指令集来说，PC指向当前指令的下两条指令的地址。

由于ARM指令是字对齐的，PC值的第0位和第1位总为0。需要注意的是，当使用指令STR／STM保存R15时，保存的可能是当前指令地址值加8字节，也可能保存的是当前指令地址加12字节。到底是哪种方式，取决于芯片具体设计方式。无论如何，在同一芯片中，要么采用当前指令地址加8，要么采用当前指令地址加12，不能有些指令采用当前指令地址加8，另一些指令采用当前指令地址加12。因此对于用户来说，尽量避免使用STR／STM指令来保存R15的值。当不可避免这种使用方式时，可以先通过一些代码来确定所用的芯片使用的是哪种实现方式。

对于ARM版本4以及更高的版本，程序必须保证写入R15寄存器的地址值的bits[1：0]为0b00；否则将会产生不可预知的结果。

对于Thumb指令集来说，指令是半字对齐的。处理器将忽略bit[0]，即写入R15的地址值首先与0XFFFFFFFC做与操作，再写入R15中。

还有—些指令对于R15的用法有一些特殊的要求。比如，指令BX利用bit[0]来确定是ARM指令，还是Thumb指令。这种读取PC值和写入PC值的不对称的操作需要特别注意。

CPSR(当前程序状态寄存器)可以在任何处理器模式下被访问。它包含了条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志以及其他的一些控制和状态位。每一种处理器模式下都有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR(备份程序状态寄存器)。当特定的异常中断发生时，这个寄存器用于存放当前程序状态寄存器的内容。在异常中断程序退出时，可以用SPSR中保存的值来恢复CPSR。

由于用户模式和系统模式不是异常中断模式，所以它们没有SPSR。当在用户模式或系统模式中访问SPSR，将会产生不可预知的结果。

CPSR的格式如下所示。SPSR格式与CPSR格式相同。

N(Negative)、Z(Zero)、C(Carry)及V(oVeRFlow)统称为条件标志位。大部分的ARM指令可以根据CPSR中的这些条件标志位来选择性地执行。各条件标志位的具体含义如表2所示。

表2 CPSR中的条件标志位

在ARMv5的E系列处理器中，CPSR的bit[27]称为Q标志位，主要用于指示增强的

DSP指令是否发生了溢出。同样的SPSR中的bit[27]也称为Q标志位，用于在异常中断发生时保存和恢复CPSR中的Q标志位。

在ARM v5以前的版本及ARM v5的非E系列的处理器中，Q标志位没有被定义。CPSR的bit[27]属于DNM(RAZ)。

CPSR的低8位I、F、T及M[4：0]统称为控制位。当异常中断发生时这些位发生变化。在特权级的处理器模式下，软件可以修改这些控制位。

1)      中断禁止位

当I=1时禁止IRQ中断。

当F=1时禁止FIQ中断。

2)      T控制位   

T控制位用于控制指令执行的状态，即说明本指令是ARM指令，还是Thumb指令。对与不同版本的ARM处理器，T控制位的含义不同。对于ARMv4以及更高版本的T系列的ARM处理器，

T=0表示执行ARM指令。

T=1表示执行Thumb指令。

对于ARMv5以及更高的版本的非T系列的ARM处理器，T控制位含义如下：

T=0表示执行ARM指令。

T=1表示强制下一条执行的指令产生未定义指令中断。

3)      M控制位

控制位M[4：0]控制处理器模式，具体含义如表3所示。

表3控制位M[4：0] 的含义

CPSR中的其他位用于将来ARM版本的扩展。应用软件不要操作这些位，以免与ARM将来版本的扩展冲突。

ARM体系使用单—的平板地址空间。该地址空间的大小为232个8位字节。这些字节单元的地址是一个无符号的32位数值，其取值范围为0到232—1。ARM的地址空间也可以看作是232个32位的字单元。这些字单元的地址可以被4整除，也就是说该地址的低两位为0b00。地址为A的字数据包括地址为A、A＋I、A＋2、A＋34个字节单元的内容。

在ARM版本4及以上的版本中，ARM的地址空间也可以看作是231个16位的半字单元。这些半字单元的地址可以被2整除，也就是说该地址的最低位为0b0。地址为A的半字数据包括地址为A、A＋1两个字节单元的内容。

各存储单元的地址作为32位的无符号数，可以进行常规的整数运算。这些运算的结果进行232取模。也就是说，运算结果发生上溢出和下溢出时，地址将会发生卷绕。

在ARM体系中，每个字单元中包含4个字节单元或者两个半字单元：1个半字单元中包含两个字节单元。但是在字单元中，4个字节哪一个是高位字节，哪一个是低位字节则有两种不同的格式：big-endian格式和little-endian格式。在big-endian格式中，对于地址为A的字单元包括字节单元A、A＋1、A＋2及A＋3，其中字节单元由高位到低位字节顺序为A、A＋1、A＋2、A＋3；地址为A的字单元包括半字单元A、A＋2，其中半字单元由高位到低位字节顺序为A、A＋2：地址为A的半字单元包括字节单元A、A＋1，其中字节单元由高位到低位字节顺序为A、A＋1。  

在little-endian格式中，地址为A的字单元包括字节单元A、A＋1、A＋2及A＋3，其中字节单元由高位到低位字节顺序为A＋3、A＋2、A＋1、A；地址为A的字单元包括半字节单元A、A＋2，其中半字单元由高位到低位字节顺序为A＋2、A；地址为A的半字单元包括字节单元A、A＋1，其中字节单元由高位到低位字节顺序为A＋1、A

ARM处理器包含多少寄存器?每种模式下又有那些寄存器?这些寄存器的作用又是什么?带着这些问题我们来学习ARM寄存器吧!相信看完这篇文章后你会有所收获。
$ s- k* X9 ]0 g: M, Q5 N- @0 PARM处理器共有37个寄存器。  Z( P1 i' z5 U' K/ |4 z1 |4 Y
它包含31个通用寄存器和6个状态寄存器。

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  |  i- b; K& x- l  F4 qUsr         System         Supervisor      Abort         Undefined         IRQ           FIQ1 J5 z: \$ ]+ w  a
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
+ z& z2 b% o; A0 M& vR0          R0             R0              R0            R0                R0            R05 [$ O1 O9 p3 \5 a3 q5 Z
R1          R1             R1              R1            R1                R1            R16 J( p9 N1 G& [0 ~
R2          R2             R2              R2            R2                R2            R2         
- p, V! Z4 D8 \, H6 U9 vR3          R3             R3              R3            R3                R3            R3
' X; O6 r  u5 M; D: @; o6 C: jR4          R4             R4              R4            R4                R4            R4
7 D0 r: L# R  x5 D& x4 d/ n, F; B. AR5          R5             R5              R5            R5                R5            R5
; }; i8 L. R0 y0 \, H$ l  kR6          R6             R6              R6            R6                R6            R6
4 R4 p# Z, q1 H$ {. r$ @! C7 zR7          R7             R7              R7            R7                R7            R7
+ m+ ]7 b9 h0 LR8          R8             R8              R8            R8                R8            R8_fiq
3 `. t* I9 A. K$ {R9          R9             R9              R9            R9                R9            R9_fiq7 Y# ^" G8 f2 p) Q' H
R10        R10          R10            R10         R10              R10          R10_fiq
. L8 h# N; ]( x- BR11        R11          R11            R11         R11              R11          R11_fiq
6 P' r  _' z* V" ER12        R12          R12            R12         R12              R12          R12_fiq2 x# G8 {/ u: a/ D
R13        R13          R13_svc   R13_abt  R13_und    R13_irq   R13_fiq- b! c( E, [6 I$ a' u
R14        R14          R14_svc   R14_abt  R14_und    R14_irq   R14_fiq- \2 Y7 W( ?% F( g2 H4 h
PC          PC            PC             PC            PC                PC            PC
  R1 }# u7 z8 WCPSR    CPSR        CPSR        CPSR      CPSR           CPSR      CPSR
! b# ]8 N3 t  W" x6 ?                           SPSR_svc        SPSR_abt      SPSR_und          SPSR_irq      SPSR_fiq, x; K1 ?' p0 C' n) L
=======================================================================================
/ o; u# s, F0 N5 |, X, Z6 f6 R0 r1.通用寄存器的分类：
) ]1 J: D. T  e% c: x9 M0 Y3 Oa.未备份寄存器,包括R0-R70 o( ?* z3 X( \- J
    对每个未备份寄存器来说,在所有的模式下都是指同一个物理寄存器(例如:Usr下的R0与FIQ下的R0是同一个寄存器)。在异常程序中断造成模式切换时，由于不同模式使用的是相同的物理寄存器。这可能导致数据遭到破坏。未备份寄存器没有被系统作为别的用途,任何场合均可采用未备份寄存器。( j/ B! A: c1 k
b.备份寄存器,包括R8-R14
) Q& z: |8 q$ X    对于备份寄存器R8-R12来说,除FIQ模式下其它模式均使用相同的物理寄存器。在FIQ模式下R8_fiq,R9_fiq,; i* L0 {+ F6 l6 _4 j  G
R10_fiq,R11_fiq,R12_fiq。它有自己的物理寄存器。% `- T8 D9 k! i+ c0 z2 H
    对于R13和R14寄存器每种模式都有自己的物理寄存器(System与Usr的寄存器相同)当异常中断发生时,系统使用相应模式下的物理寄存器,从而可以避免数据遭到破坏。/ o( c7 x& S1 V
   R13也称为SP堆栈指针。
% u8 T" |! Q( P" e   R14也称为LR寄存器
5 \3 X" A& X  |+ {6 d  c2 `4 Oc.程序计数器,PC
8 W( u) \7 [5 V" `   PC寄存器存储指令地址,由于ARM采用流水机制执行指令,故PC寄存器总是存储下一条指令的地址。; w+ U) J/ v' }7 f. F+ h: x5 Z
   由于ARM是按照字对齐故PC被读取后的值的bit[1:0]总是0b00(thumb的bit[0]是0b0)。

2.程序状态寄存器
: u# H0 L6 V+ z' _" ~程序状态寄存器包含当前程序状态寄存器和备份状态寄存器。9 k, I4 U% |. Y# K) p7 _5 D8 _0 ^
a.CPSR(程序状态寄存器)
8 f# {3 A2 P* c9 w) sCPSR在任何处理器模式下都可以被访问。其结构如下：

  31 30 29 28  ---   7   6   -   4   3   2   1   04 n$ q7 Z" N+ G2 S, G0 h8 e  \
  N  Z  C  V         I   F       M4  M3  M2  M1  M0

N(Negative)、Z(Zero)、C(Carry)以及V(oVerflow)称为条件标志位。ARM指令根据CPSR的条件标志位来选择地执行。

CPSR条件标志位
1 v9 P% ~5 _& N% _=======================================================================================$ w' v& ]8 p! `$ Y: x3 K# ~# v
条件标志位                   含义
. i5 v5 u: g7 ^----------------------------------------------------------------------------------------------------------------5 l$ g& O9 @  @, y3 r8 u: i
N                            N=1 表示运算结果为负数,N=0 表示运算结果为正数。               8 K' X3 S& w* L3 F0 G
Z                            Z=1 表示运算结果为0， Z=0 表示运算结果为非零。; C% Z( c3 J1 j- O0 x2 Q
C                            C=1 表示运算结果产生了进位。6 `; D( L# o3 J8 O" G& B- W& t8 r6 j
V                            V=1 运算结果的符号位发生了溢出。
/ O- `5 e/ H$ C9 c" H4 A; KQ                            在ARMv5 E系列版本中Q=1 表示DSP指令溢出。
( I6 N5 J; `* E, }& ?                             在ARMv5以前的版本中没有Q标志位。, w" A( X% B& j/ v1 b/ `# ^
=======================================================================================4 Z$ J: d! Z/ m0 @' f7 I9 H( w( D5 g
以下指令会影响CPSR的条件标志位- K# A5 m! x$ }7 y  @3 N
(1)比较指令,如: CMP、CMN、TEQ、TST等。( z3 w: p& m- r5 U1 R6 ^6 s2 {
(2)当一些算术逻辑运算的目标寄存器不是PC时，这些指令会影响CPSR的条件标志位。  l# D- M4 y" m& z& N  e
(3)MSR与MRS指令可以对CPSR/SPSR进行操作。1 l2 Y, K5 a4 t- s6 q
(4)LDM指令可以将SPSR复制到CPSR中。

CPSR的控制位) `& r# x3 M9 {; l, P, R
=======================================================================================
6 r( C: s% a( J控制位                        含义
  h7 M% s9 Z' o0 f! m9 P----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
% l+ }# {7 Y* {! |' VI                             I=1 禁用IRO中断0 F% |4 \- S+ `& T0 l, i
F                             F=1 禁用FIQ中断. Q1 k  b( Y( P8 x& K1 s
T                             ARMv4以上T版本T=0 执行ARM指令,T=1执行Thumb指令。& g& H0 u" g. _! u( C) H
                              ARMv5以上非T版本T=0 执行ARM指令,T=1表示下一条指令产生未定义指令中断。M[4:0]                        控制处理器模式2 s3 V0 s  ^  S4 r3 W
                              0b10000      User* G; |# Q, T: f0 H0 P
                              0b10001      FIQ" x. |+ u4 H3 L
                              0b10010      IRQ
6 U( E' ^( d# {- R* b- ~6 r                              0b10011      Supervisor
, A& U! R6 p) I8 o                              0b10111      Abort4 ]" y2 }; ~( b4 y& l: w
                              0b11011      Undefined4 R" E! @9 U! M" R5 m+ S  ~% r
                              0b11111      System      
$ C- q0 f/ R4 C3 N( s=======================================================================================8 v, {% i8 o4 P6 f0 q0 f- p
b.SPSR(备份状态寄存器)
" \8 W% [: t# T9 mSPSR的结构与CPSR的结构相同，SPSR是用来备份CPSR的。