關於ARM的PC指針（什麼時候PC+8，PC+4，PC-4,PC-8）轉

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要理解PC指針，首先就要好好了解LR指針

連接寄存器LR（r14）：用來保存和恢復PC寄存器的內容，它有兩個特殊功能。
    （1）保存子程序返回地址。使用BL或BLX時，跳轉指令自動把返回地址放入r14中；子程序通過把r14複製到PC來實現返回，通常用下列指令之一：
                        MOV PC, LR
                        BX LR
             通常子程序這樣寫，保證了子程序中還可以調用子程序。
                         stmfd sp!, {lr}
                         ……
                         ldmfd sp!, {pc}
    （2）當異常發生時，異常模式的r14用來保存異常返回地址，將r14如棧可以處理嵌套中斷。

程序計數器r15（PC）：PC是有讀寫限制的。當沒有超過讀取限制的時候，讀取的值是指令的地址加上8個字節，由於ARM指令總是以字對齊的，故bit[1:0]總是00。當用str或stm存儲PC的時候，偏移量有可能是8或12等其它值。在V3及以下版本中，寫入bit[1:0]的值將被忽略，而在V4及以上版本寫入r15的bit[1:0]必須爲00，否則後果不可預測。

知道PC寄存器和LR寄存器功能以後，再瞭解一下ARM處理器的三級流水線和多級流水線

 

首先，對於ARM7對應的流水線的執行情況，如下面這個圖所示：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

從圖中可以看出，一條彙編指令的運行有三個步驟，取指、譯碼、執行，當第一條彙編指令取指完成後，緊接着就是第二條指令的取指，然後第三條...如此嵌套

 

其實很容易看出，第一條指令：

add r0, r1,$5

取指完成後，PC就指向了第二條指令，此時PC=PC+4

當第一條指令譯碼完成以後，此時PC=PC+8

所以第一條指令開始執行時，PC值已經加了8

所以必須記住這個前提，在arm中，每次該指令執行時，其實這時的PC值是PC=PC+8

而且這個前提也同樣適合多級流水線，原因就不解釋了

 

接下來談談我們在arm彙編時，什麼時候需要PC-4, PC-8, PC什麼都不減

 

這個取決於是在正常程序的跳轉還是發生異常：

如果是使用BL執行了正常程序的跳轉，那麼執行這條BL指令時，由於是正常的跳轉指令，所以cpu會將返回地址存放在LR中，即當前指令地址加4，當從子程序跳轉回來的時候，那麼就需要將保存在LR寄存器中的值恢復給PC寄存器，

mov PC, LR     這樣的指令返回

 

 

 

 

IRQ異常發生時，因爲這個異常是在指令執行時候發生的，PC的值等於當前執行指令加8，然後將這個值保存在LR中。但是LR寄存器中保存的是PC+8，指向的是後面的第二條指令，如果不進行減4處理，將會漏執行一條指令，所以PC恢復的時候就需要LR減4，所以正常從子程序返回的時候會使用如：SUBS PC, LR,#4     返回到當前指令的下一條指令

 

 

未定義指令異常時，因爲這個異常發生在指令譯碼階段，所以，此時PC的值就是未定義指令加4，然後保存到LR(參考流水線圖)；因爲該指令未定義，所以返回時就不應該返回到這條未定義指令，而是返回到它的下一條指令，R14中保存的剛好就是下一條指令的地址，所以就不用計算了，直接將R14賦值給PC就行了

 

 

預取指令異常是在流水線的執行階段時才進入異常，所以PC的值是當前執行指令地址加8，所以返回時應該返回到下一條指令，所以PC恢復的時候就需要R14減4

 

 

數據中止異常，這個異常是在本指令執行完成後才發生的，表示當前存儲器的訪問不能完成，從流水線圖可以看出，當第一條指令執行完成時，當前PC值已經指向了第一條指令地址加12的地址，LR中保存的其實是第四條指令的地址了，所以從異常返回時，需要從第一條指令的下一條指令（第二條指令）開始執行，所以PC恢復的時候就需要R14減8

 

 

下面簡單總結一下：

 

1.SWI和和未定義指令異常中斷的返回:
指令地址
A      PC-8    當前指令爲SWI或未定義指令 此時發生中斷.PC的值還沒有更新.(不需要執行完此指 令，就跳到中斷了)
A+4    PC-4  中斷時處理器將PC-4保存到LR
A+8    PC
返回時,從發生中斷的指令A(PC-8)的下一條指令A+4(PC-4)處開始執行,所以直接
把LR的值賦給PC就行了,具體指令爲MOV PC,LR  @(PC=A+4=LR)
2,IRQ和FIQ異常中斷處理的返回:
指令地址  對應於PC
A        PC-8     執行此指令完成後(!)查詢IRQ及FIQ,如果有中斷請求
                          則產生中斷. .(需要執行完此指 令，再跳到中斷)
A+4      PC-4
A+8      PC
(此時PC的值已經更新,指向A+12.將當前PC-4(即A+8)
保存到LR.返回時,要接着執行A+4(LR-4)處的指令,所以返回指令爲SUBS PC, LR,#4 @(PC=A+4=LR-4)
3,指令預取中止異常中斷處理的返回:
指令地址
A    PC-8          執行本指令時發生中斷, 
A+4  PC-4      處理器將A+4(PC-4)保存到LR.
A+8   PC
返回時,發生指令預取中止的指令A(PC-8)處重新執行(A處的指令要重新執行),所以返回指令爲SUBS PC, LR,#4  @(PC=A=LR-4)
4,數據訪問中止異常中斷處理的返回:
指令地址
A         PC-8  本指令訪問有問題的數據,產生中斷時,PC的值已經更新  
A+4       PC-4  中斷髮生時PC=A+12,處理器將A+8(PC-4)保存到LR.
A+8       PC
返回時,要返回到A處繼續執行,所以指令爲SUBS PC,  LR,#8   @(PC=A=LR-8)
(A處的指令要重新執行),

5.正常程序跳轉處理返回

使用BL跳轉時，它會自動將返回地址裝入LR中，即將當前PC-4存入LR中，返回時不用對LR進行加減操作

指令地址
對應於PC
A          PC-8    (A處的指令不要重新執行)
A+4      PC-4
A+8      PC

mov PC, LR @(PC=A+4=LR)  現在LR的值就是A+4的地址
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