ARM寄存器

一、ARM工作狀態下的寄存器組織

ARM微處理器共有37個32位寄存器，其中31個爲通用寄存器，6個位狀態寄存器。但是這些寄存器不能被同時訪問，具體哪些寄存器是可以訪問的，取決ARM處理器的工作狀態及具體的運行模式。但在任何時候，通用寄存器R14~R0、程序計數器PC（即R15）、一個狀態寄存器都是可訪問的。

通用寄存器
通用寄存器包括R0~R15,可以分爲3類:
(1)未分組寄存器R0~R7
(2)分組寄存器R8~R14
(3)程序計數器PC(R15)

1.未分組寄存器R0~R7
在所有運行模式下,未分組寄存器都指向同一個物理寄存器,它們未被系統用作特殊的用途.因此在中斷或異常處理進行運行模式轉換時,由於不同的處理器運行模式均使用相同的物理寄存器,所以可能造成寄存器中數據的破壞.
2.分組寄存器R8~R14
對於分組寄存器,它們每一次所訪問的物理寄存器都與當前處理器的運行模式有關.對於R8~R12來說,每個寄存器對應2個不同的物理寄存器,當使用FIQ(快速中斷模式)時,訪問寄存器R8_fiq~R12_fiq;當使用除FIQ模式以外的其他模式時,訪問寄存器R8_usr~R12_usr.
對於R13,R14來說,每個寄存器對應6個不同的物理寄存器,其中一個是用戶模式與系統模式共用,另外5個物理寄存器對應其他5種不同的運行模式,並採用以下記號來區分不同的物理寄存器:
R13_
R14_
其中mode可爲:usr,fiq,irq,svc,abt,und.
寄存器R13在ARM指令中常用作堆棧指針SP,但這只是一種習慣用法，用戶也可使用其他的寄存器作爲堆棧指針,而在Thumb指令集中,某些指令強制性的要求使用R13作爲堆棧指針.

由於處理器的每種運行模式均有自己獨立的物理寄存器R13，在用戶應用程序的初始化部分，一般都要初始化每種模式下的R13，使其指向該運行模式的棧空間。這樣，當程序的運行進入異常模式時，可以將需要保護的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當程序從異常模式返回時，則從對應的堆棧中恢復，採用這種方式可以保證異常發生後程序的正常執行。
R14稱爲子程序鏈接寄存器LR(Link Register),當執行子程序調用指令(BL)時,R14可得到R15(程序計數器PC)的備份.

在每一種運行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，當用BL或BLX指令調用子程序時，將PC的當前值複製給R14，執行完子程序後，又將R14的值複製回PC，即可完成子程序的調用返回。以上的描述可用指令完成。
執行以下任意一條指令：

MOV PC, LR
BX LR
在子程序入口處使用以下指令將R14存入堆棧：
STMFD SP！,{,LR}
對應的，使用以下指令可以完成子程序返回：
LDMFD SP！,{,PC}
R14也可作爲通用寄存器。
3,程序計數器PC(R15)
寄存器R15用作程序計數器(PC),在ARM狀態下,位[1:0]爲0,位[31:2]用於保存PC,在Thumb狀態下,位[0]爲0,位[31:1]用於保存PC.
由於ARM體系結構採用了多級流水線技術，對於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的值爲當前指令的地址值加8個字節程序狀態寄存器

4，寄存器R16
寄存器R16用作CPSR(CurrentProgram Status Register，當前程序狀態寄存器)，CPSR可在任何運行模式下被訪問，它包括條件標誌位、中斷禁止位、當前處理器模式標誌位，以及其他一些相關的控制和狀態位。
每一種運行模式下又都有一個專用的物理狀態寄存器，稱爲SPSR(Saved Program Status Register，備份的程序狀態寄存器)，當異常發生時，SPSR用於保存CPSR的當前值，從異常退出時則可由SPSR來恢復CPSR。
由於用戶模式和系統模式不屬於異常模式，它們沒有SPSR，當在這兩種模式下訪問SPSR，結果是未知的

 

二、Thumb工作狀態下的寄存器組織
       Thumb狀態下的寄存器集是ARM狀態下寄存器集的一個子集，程序可以直接訪問8個通用寄存器（R7～R0）、程序計數器（PC）、堆棧指針（SP）、 連接寄存器（LR）和CPSR。同時，在每一種特權模式下都有一組SP、LR和SPSR。圖2.4表明Thumb狀態下的寄存器組織。

Thumb狀態下的寄存器組織與ARM狀態下的寄存器組織的關係：
       ─ Thumb狀態下和ARM狀態下的R0～R7是相同的。
       ─ Thumb狀態下和ARM狀態下的CPSR和所有的SPSR是相同的。
       ─ Thumb狀態下的SP對應於ARM狀態下的R13。
       ─ Thumb狀態下的LR對應於ARM狀態下的R14。
       ─ Thumb狀態下的程序計數器對應於ARM狀態下R15
以上的對應關係如圖2.5所示：

訪問THUMB狀態下的高位寄存器（Hi-registers）：
       在Thumb狀態下，高位寄存器R8～R15並不是標準寄存器集的一部分，但可使用彙編語言程序受限制的訪問這些寄存器，將其用作快速的暫存器。使用帶特 殊變量的MOV指令，數據可以在低位寄存器和高位寄存器之間進行傳送；高位寄存器的值可以使用CMP和ADD指令進行比較或加上低位寄存器中的值。

程序狀態寄存器
       ARM體系結構包含一個當前程序狀態寄存器（CPSR）和五個備份的程序狀態寄存器（SPSRs）。備份的程序狀態寄存器用來進行異常處理，其功能包括：
      ─ 保存ALU中的當前操作信息
      ─ 控制允許和禁止中斷
      ─ 設置處理器的運行模式
程序狀態寄存器的每一位的安排如圖2.6所示：

條件碼標誌（Condition Code Flags）
       N、Z、C、V均爲條件碼標誌位。它們的內容可被算術或邏輯運算的結果所改變，並且可以決定某條指令是否被執行。
       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。

  N  Negative        如果結果是負數則置位
  Z  Zero            如果結果是零則置位
  C  Carry           如果發生進位則置位
  O  Overflow        如果發生溢出則置位
  I  IRQ             中斷禁用
  F  FIQ             快速中斷禁用

  T  工作狀態位,1爲Thumb;0爲ARM

條件碼標誌位的含義

標誌位	含      義
N	當用補碼錶示的帶符號數進行運算時，N＝1表示運算的結果爲負數；N＝0表示運算的結果是正數或零。
Z	Z＝1表示運算的結果爲零；Z＝0表示運算的結果不爲零。
C	有4種方法影響C的值： l  加法運算：當運算結果產生了進位時（無符號數溢出），C＝1,否則C＝0。 l  減法運算（包括比較指令CMP）：當運算時產生了借位（無符號數溢出）時，C＝0,否則C＝1。 l  對於包含移位操作的非加/減運算指令，C爲移出值的最後一位。 l  對於其他的非加/減運算指令，C的值通常不改變。
V	有2種方法設置V的值： l  對於加/減法運算指令，當操作數和運算結果爲二進制的補碼錶示的帶符號數時，V＝1表示符號位溢出。 l  對於其它的非加/減法運算指令，V的值通常不改變。

N即符號位，與最高符號位相同。

C主要判斷無符號數的加減法是否存在進位或借位，不過減法的時候有點特殊。

  S1 和 S0 是處理器模式標誌:
  
M4   M3   M2   M1   M0   模式
1    0    0    0    0    USR - 用戶模式
1    0    0    0    1    FIQ - 快速中斷模式
1    0    0    1    0    IRQ - 中斷模式
1    0    0    1    1    SVC - 超級用戶模式

1    0    1    1    1    ABT - 中止

1    1    0    1    1    und - 未定義

1    1    1    1    1    SYS - 系統模式