ARM基础知识教程（二）：ARM处理器的寄存器

 在ARM体系中通常有以下3种方式控制程序的执行流程：

**在正常执行过程中，每执行一条ARM指令，程序计数器(PC)的值加4个字节；每执行一条Thumb指令，程序计数器寄存器(PC)加2个字节。整个过程是按顺序执行。

**跳转指令，程序可以跳转到特定的地址标号处执行，或者跳转到特定的子程序处执行。其中,B指令用于执行跳转操作；BL指令在执行跳转操作同时，保存子程

序的返回地址；BX指令在执行跳转操作同时，根据目标地址为可以将程序切换到Thumb状态；BLX指令执行3个操作，跳转到目标地址处执行，保存子程序的返回

地址，根据目标地址为可以将程序切换到Thumb状态。

**当异常中断发生时，系统执行完当前指令后，将跳转到相应的异常中断处理程序处执行。当异常中断处理程序执行完成后，程序返回到发生中断指令的下条指

令处执行。在进入异常中断处理程序时，要保存被中断程序的执行现场，从异常中断处理程序退出时，要恢复被中断程序的执行现场。

 

  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。

  **6个状态寄存器。这些寄存器都是32位寄存器。

ARM处理器共有7种不同的处理器模式，每一种模式中都有一组相应的寄存器组。在任何时刻，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，有些是各模式公用一个物理寄存器，有一些寄存器各模式拥有自己独立的物理寄存器。

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通用寄存器

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通用寄存器分为以下三类：备份寄存器、未备份寄存器、程序计数器PC

未备份寄存器

未备份寄存器包括R0-R7。对于每一个未备份寄存器来说，所有处理器模式下都是使用同一个物理寄存器。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场合都可以使用未备份寄存器。

备份寄存器

对于R8-R12备份寄存器来说，每个寄存器对应两个不同的物理寄存器。系统为将备份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非常迅速。

对于R13,R14备份寄存器来说，每个寄存器对应六个不同的物理寄存器，其中的一个是系统模式和用户模式共用的；另外的五个对应于其他的五种处理器模式。采用下面的记号来区分各个物理寄存器：

R13_<MODE>

其中MODE可以是下面几种模式之一：usr,svc,abt,und,irq,fiq

 

R13常作为栈指针；R14（LR）常作为子程序的返回地址

 

lr(r14）的作用问题，这个lr一般来说有两个作用：
1.当使用bl或者blx跳转到子过程的时候，r14保存了返回地址，可以在调用过程结尾恢复。
2.异常中断发生时，这个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。

另外注意pc，在调试的时候显示的是当前指令地址，而用mov lr,pc的时候lr保存的是此指令向后数两条指令的地址，大家可以试一下用mov pc,pc，结果得到的是跳转两条指令，这个原因是由于arm的流水线造成的，预取两条指令的结果.

 

 

程序计数器PC

可以作为一般的通用寄存器使用，但有一些指令在使用R15时有一些限制。由于ARM采用了流水线处理器机制，当正确读取了PC的值时，该值为当前指令地址值加上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位和第一位总为0。

需要注意的是，当使用str/stm保存R15时，保存的可能是当前指令地址值加8个字节，也可能保存的是当前指令地址值加12个字节。到底哪种方式取决于芯片的具体设计。对于用户来说，尽量避免使用STR/STM指令来保存R15的值。
当成功的向R15写入一个数值时，程序将跳转到该地址执行。由于ARM指令是字对齐的，写入R15的值应满足bits[1:0]为0b00，具体要求arm个版本有所不同：
**对于arm3以及更低的版本，写入R15的地址值bits[1:0]被忽略，即写入r15的地址值将与0xFFFF FFFC做与操作。
**对于ARM4以及更高的版本，程序必须保证写入R15的地址值bits[1:0]为0b00，否则将产生不可预知的后果。
对于Thumb指令集来说，指令是班子对齐的，处理器将忽略bit[0]。

程序状态寄存器

CPSR(当前程序状态寄存器)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。在异常中断退出时，可以用SPSR来恢复CPSR。由于用户模式和系统模式不是异常

中断模式，所以他没有SPSR。当用户在用户模式或系统模式访问SPSR，将产生不可预知的后果。
CPSR格式如下所示。SPSR和CPSR格式相同。

31 30 29 28 27 26 7 6 5 4 3 2 1 0
N Z C V Q DNM(RAZ) I F T M4 M3 M2 M1 M0

***条件标志位***
N——本位设置成当前指令运算结果的bit[31]的值。当两个表示的有符号整数运算时，n=1表示运算结果为负数，n=0表示结果为正书或零。

z——z=1表示运算的结果为零；z=0表示运算的结果不为零。对于CMP指令，Z=1表示进行比较的两个数大小相等。

C——下面分四种情况讨论C的设置方法：
在加法指令中（包括比较指令CMP），当结果产生了进位,则C=1,表示无符号运算发生上溢出；其他情况C=0。
在减法指令中（包括减法指令CMP），当运算中发生错位，则C=0，表示无符号运算数发生下溢出；其他情况下C=1。
对于包含移位操作的非加碱运算指令，C中包含最后一次溢出的的位的数值
对于其他非加减运算指令，C位的值通常不受影响
V——对于加减运算指令，当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数时，V=1表示符号为溢出；通常其他指令不影响V位。

***Q标识位***
在ARM V5的E系列处理器中，CPSR的bit[27]称为q标识位，主要用于指示增强的dsp指令是否发生了溢出。同样的spsr的bit[27]位也称为q标识位，用于在异常中

断发生时保存和恢复CPSR中的Q标识位。
在ARM V5以前的版本及ARM V5的非E系列的处理器中，Q标识位没有被定义。

***CPSR中的控制位***

CPSR的低八位I、F、T、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。

**中断禁止位：当I=1时禁止IRQ中断，当F=1时禁止FIQ中断

**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。对于ARM V4以更高版本的T系列ARM处理器，T控制位含义如下：
T=0表示执行ARM指令
T=1表示执行Thumb指令
对于ARM V5以及更高版本的非T系列处理器，T控制位的含义如下
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指令中断

***M控制位***
M控制位控制处理器模式，具体含义如下：

M[4:0] 处理器模式 可访问的寄存器
10000 user pc,r14~r0,CPSR
10001 FIQ PC,R14_FIQ-R8_FIQ,R7~R0,CPSR,SPSR_FIQ
10010 IRQ PC,R14_IRQ-R13_IRQ,R12~R0,CPSR,SPSR_IRQ
10011 SUPERVISOR PC,R14_SVC-R13_SVC,R12~R0,CPSR,SPSR_SVC
10111 ABORT PC,R14_ABT-R13_ABT,R12~R0,CPSR,SPSR_ABT
11011 UNDEFINEED PC,R14_UND-R8_UND,R12~R0,CPSR,SPSR_UND
11111 SYSTEM PC,R14-R0,CPSR(ARM V4以及更高版本）

***CPSR中的其他位***

这些位用于将来扩展。应用软件不要操作这些位。