ARM處理器中的寄存器基本知識詳解

ARM處理器共有37個寄存器，被分為若干個組(BANK)，這些寄器包括：

● 31個通用寄存器，包括程序計數器(PC指針)，均為32位的寄存器。

● 6個狀態寄存器，用以標識CPU的工作狀態及程序的運行狀態，均為32位，目前只使用了其中的一部分。

ARM微處理器支持7種運行模式，分別為：

● usr(用戶模式)：ARM處理器正常程序執行模式。

● fiq(快速中斷模式)：用于高速數據傳輸或通道處理

● irq(外部中斷模式)：用于通用的中斷處理

● svc(管理模式)：操作系統使用的保護模式

● abt (數據訪問終止模式)： 當數據或指令預取終止時進入該模式，可用于虛擬存儲及存儲保護。

● sys(系統模式)： 運行具有特權的操作系統任務。

● und(未定義指令中止模式)：當未定義的指令執行時進入該模式，可用于支持硬件協處理器的軟件仿真。

ARM微處理器的運行模式可以通過軟件改變，也可以通過外部中斷或異常處理改變。

大多數的應用程序運行在用戶模式下，當處理器運行在用戶模式下時，某些被保護的系統資源是不能被訪問的。

除用戶模式以外，其余的所有6種模式稱之為非用戶模式，或特權模式(Privileged Modes);其中除去用戶模式和系統模式以外的5種又稱為異常模式(Exception Modes)，常用于處理中斷或異常，以及需要訪問受保護的系統資源等情況。

ARM處理器在每一種處理器模式下均有一組相應的寄存器與之對應。即在任意一種處理器模式下，可訪問的寄存器包括15個通用寄存器(R0～R14)、一至二個狀態寄存器和程序計數器。在所有的寄存器中，有些是在7種處理器模式下共用的同一個物理寄存器，而有些寄存器則是在不同的處理器模式下有不同的物理寄存器。

ARM處理器有32位ARM和16位Thumb兩種工作狀態。在32位ARM狀態下執行字對齊的ARM指令，在16位Thumb狀態下執行半字對齊的Thumb指令。

在Thumb狀態下，程序計數器PC(Program Counter)使用位[1]選擇另一個半字。

ARM處理器在兩種工作狀態之間可以切換，切換不影響處理器的模式或寄存器的內容。

(1)當操作數寄存器的狀態位(位[0])為1時，執行BX指令進入Thumb狀態。如果處理器在Thumb狀態進入異常，則當異常處理(IRQ、FIQ、Undef、Abort和SWI)返回時，自動轉換到Thumb狀態。

(2)當操作數寄存器的狀態位(位[0])為0時，執行BX指令進入ARM狀態，處理器進行異常處理(IRQ、FIQ、Reset、Undef、Abort和SWI)。在此情況下，把PC放入異常模式鏈接寄存器中。從異常向量地址開始執行也可以進入ARM狀態。

n ARM處理器的寄存器組織

ARM處理器的37個寄存器被安排成部分重疊的組，不能在任何模式都可以使用，寄存器的使用與處理器狀態和工作模式有關。如圖2.3.1所示，每種處理器模式使用不同的寄存器組。其中15個通用寄存器(R0～R14)、1或2個狀態寄存器和程序計數器是通用的。

通用寄存器

通用寄存器(R0～R15)可分成不分組寄存器R0～R7、分組寄存器R8～R14和程序計數器R15 三類。

(1)不分組寄存器R0～R7

不分組寄存器R0～R7是真正的通用寄存器，可以工作在所有的處理器模式下，沒有隱含的特殊用途。

(2)分組寄存器R8～R14

分組寄存器R8～R14取決于當前的處理器模式，每種模式有專用的分組寄存器用于快速異常處理。

寄存器R8～Rl2可分為兩組物理寄存器。一組用于FIQ模式，另一組國用于除FIQ以外的其他模式。第1組訪問R8_fiq～R12_fiq，允許快速中斷處理。第二組訪問R8_usr～R12_usr，寄存器R8～R12沒有任何指定的特殊用途。

表明用戶或系統模式使用的一般寄存器己被異常模式特定的另一寄存器所替代。

寄存器R13～R14可分為6個分組的物理寄存器。1個用于用戶模式和系統模式，而其他5個分別用于svc、abt、und、irq和fiq五種異常模式。訪問時需要指定它們的模式，如：R13_，R14_;其中：可以從usr、svc、abt、und、irq和fiq六種模式中選取一個。

寄存器R13通常用作堆棧指針，稱作SP。每種異常模式都有自己的分組R13。通常R13應當被初始化成指向異常模式分配的堆棧。在入口處，異常處理程序將用到的其他寄存器的值保存到堆棧中;返回時，重新將這些值加載到寄存器。這種異常處理方法保證了異常出現后不會導致執行程序的狀態不可靠。

寄存器R14用作子程序鏈接寄存器，也稱為鏈接寄存器LK (Link Register)。當執行帶鏈接分支(BL)指令時，得到R15的備份。 在其他情況下，將R14當做通用寄存器。類似地，當中斷或異常出現時，或當中斷或異常程序執行BL指令時，相應的分組寄存器R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt和R14_und用來保存R15的返回值。

FIQ模式有7個分組的寄存器R8～R14，映射為R8_fiq～R14_fiq。在ARM狀態下，許多FIQ處理沒必要保存任何寄存器。User、IRQ、Supervisor、Abort和Undefined模式每一種都包含兩個分組的寄存器R13和R14的映射，允許每種模式都有自己的堆棧和鏈接寄存器。

(3)程序計數器R15

寄存器R15用作程序計數器(PC)。在ARM狀態，位[1:0]為0，位[31:2]保存PC。在Thumb狀態，位[0]為0，位[31:1]保存PC。R15雖然也可用作通用寄存器，但一般不這么使用，因為對R15的使用有一些特殊的限制，當違反了這些限制時，程序的執行結果是未知的。

① 讀程序計數器。指令讀出的R15的值是指令地址加上8字節。由于ARM指令始終是字對齊的，所以讀出結果值的位[1:0]總是0(在Thumb狀態下，情況有所變化)。讀PC主要用于快速地對臨近的指令和數據進行位置無關尋址，包括程序中的位置無關轉移。

② 寫程序計數器。寫R15的通常結果是將寫到R15中的值作為指令地址，并以此地址發生轉移。由于ARM指令要求字對齊，通常希望寫到R15中值的位[1:0]=0b00。

由于ARM體系結構采用了多級流水線技術，對于ARM指令集而言，PC總是指向當前指令的下兩條指令的地址，即PC的值為當前指令的地址值加8個字節。

程序狀態寄存器

寄存器R16用作程序狀態寄存器CPSR(Current Program Status Register，當前程序狀態寄存器)。在所有處理器模式下都可以訪問CPSR。CPSR包含條件碼標志、中斷禁止位、當前處理器模式以及其他狀態和控制信息。每種異常模式都有一個程序狀態保存寄存器SPSR(Saved Program Status Register)。當異常出現SPSR用于保留CPSR的狀態。

CPSR和SPSR的格式如下：

(1)條件碼標志

N、Z、C、V(Negative、Zero、Carry、oVerflow)均為條件碼標志位(Condition Code Flags)，它們的內容可被算術或邏輯運算的結果所改變，并且可以決定某條指令是否被執行。CPSR中的條件碼標志可由大多數指令檢測以決定指令是否執行。在ARM狀態下，絕大多數的指令都是有條件執行的。在Thumb狀態下，僅有分支指令是有條件執行的。通常條件碼標志通過執行比較指令(CMN、CMP、TEQ、TST)、一些算術運算、邏輯運算和傳送指令進行修改。

條件碼標志的通常含義如下：

N：如果結果是帶符號二進制補碼，那么，若結果為負數，則N=1;若結果為正數或0，則N=0。

Z：若指令的結果為0，則置1(通常表示比較的結果為“相等”)，否則置0。

C：可用如下4種方法之一設置：

一-加法(包括比較指令CMN)。若加法產生進位(即無符號溢出)，則C置1;否則置0。

一-減法(包括比較指令CMP)。若減法產生借位(即無符號溢出)，則C置0;否則置1。

一-對于結合移位操作的非加法/減法指令，C置為移出值的最后1位。

一-對于其他非加法/減法指令，C通常不改變。

V：可用如下兩種方法設置，即

一-對于加法或減法指令，當發生帶符號溢出時，V置1，認為操作數和結果是補碼形式的帶符號整數。

一-對于非加法/減法指令，V通常不改變。

(3)控制位

程序狀態寄存器PSR(Program Status Register)的最低8位I、F、T和M[4：0]用作控制位。當異常出現時改變控制位。處理器在特權模式下時也可由軟件改變。

a.中斷禁止位

I：置1，則禁止IRQ中斷;

F：置1，則禁止FIQ中斷。

b.T位

T=0 指示ARM執行;

T=1 指示Thumb執行。

c.模式控制位

M4、M3、M2、Ml和M0(M[4:0])是模式位，決定處理器的工作模式，如表所列。

M[4：0]工作模式可訪問的寄存器

10000用戶模式PC，CPSR，R14～R0

10001FIQ模式PC，R7～R0，CPSR, SPSR_fiq，R14_fiq～R8_fiq

10010IRQ模式PC，R12～R0，CPSR, SPSR_irq，R14_irq，R13_irq

10011管理模式PC，R12～R0, CPSR, SPSR_svc，R14_svc，R13_svc

10111中止模式PC，R12～R0, CPSR, SPSR_abt，R14_abt，R13_abt

11011未定義模式PC，R12～R0, CPSR, SPSR_und，R14_und，R13_und

11111系統模式PC，R14～R0，CPSR(ARM v4及以上版本)

并非所有的模式位組合都能定義一種有效的處理器模式。其他組合的結果不可預知。

(4)其他位

程序狀態寄存器的其他位保留，用做以后的擴展。