ARM学习笔记(二)--ARM状态下寄存器

来源：互联网发布：java软件下载编辑：程序博客网时间：2024/05/11 16:38

ARM寄存器介绍

在移植操作系统的时候，尤其是在移植Boot Loader的时候必须了解ARM处理器的寄存器。在Boot Loader里有一段很重要的处理器初始化程序是用ARM汇编写的，有几个关键参数需要传递，关于这些参数在后面介绍Boot Loader时会有详细的描述。

ARM处理器含有37个寄存器，这些寄存器包括以下两类寄存器。

（1）31个通用寄存器：包括程序计数器PC等，这些寄存器都是32位寄存器。

（2）6个状态寄存器：状态寄存器也是32位的寄存器，但是只使用了其中的12位。

1．通用寄存器

在ARM处理器的7种模式下都有一组对应的寄存器组。在任意时刻，可见的寄存器组包括15个通用寄存器R0～R14、一个或两个状态寄存器和PC。在所有的寄存器中，有些是各种模式下共用的同一个物理寄存器，有些是各种模式自己独立拥有的物理寄存器。详细如表1-3所示。

ARM物理寄存器

用户模式

系统模式

特权模式

中止模式

未定义指令模式

外部中断模式

快速中断模式

R8_fiq

R9_fiq

R10

R10_fiq

R11

R11_fiq

R12

R12_fiq

R13

R13_svc

R13_abt

R13_und

R13_irq

R13_fiq

R14

R14_svc

R14_abt

R14_und

R14_irq

R14_fiq

CPSR

SPSR_svc

SPSR_abt

SPSR_und

SPSR_irq

SPSR_fiq

通用寄存器通常又可以分为下面3类。

Ø 未备份寄存器：包括R0～R7。

Ø 备份寄存器：包括R8～R14。

Ø 程序计数器PC：即R15。

1）未备份寄存器R0～R7

对于每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。

2）备份寄存器R8～R14

备份寄存器中的每个寄存器对应于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分别记做R8_fiq和R9_fiq，当使用用户模式下的寄存器时，寄存器R8和寄存器R9分别记做R8_usr和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。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很迅速。

对于备份寄存器R13、R14来说，每个寄存器对应于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个则对应于其他5种处理器模式，采用下面的方法来标识。

R13_<mode>，其中<mode>是usr、svc、abt、und、irq和fiq的一种。

R13通常用做堆栈指针。每一种模式都拥有自己的物理R13。程序初始化R13，使其指向该模式专用的栈地址。当进入该模式时，可以将需要使用的寄存器保存在R13所指的栈中，当退出该模式时，将保存在R13所指的栈中的寄存器值弹出。这样就实现了程序的现场保护。

寄存器R14又被称为连接寄存器（LR），在ARM中有下面两种特殊用途。

① 每一种处理器模式在自己的物理R14中存放当前子程序的返回地址。当通过BL或者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，就实现了子程序返回。

可以通过下面两种方式实现这种子程序的返回操作。

◆执行下面任何一条指令

MOV pc, LR

BX LR

◆在子程序入口使用下面指令将PC保存到栈中：

STMFD SP!, {registers}, LR}

相应地，下面的指令可以实现子程序的返回：

LDMFD SP!, { registers}, LR }

② 当发生异常中断的时候，该模式下的特定物理R14被设置成该异常模式将要返回的地址。对于某些异常，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。

3）程序计数器PC→R15

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。

假设R0指向可用的一个内存字，下面代码可以在R0指向的内存字中返回该芯片所采用的地址偏移量。

SUB R1, PC, #4 ;R1中存放下面STR指令的地址

STR PC, [R0] ;将PC=STR地址+offset保存到R0中

LDR R0, [R0] ;

SUB R0, R0, R1 ;offset=PC-STR地址

2．程序状态寄存器

CPSR（当前程序状态寄存器）可以在任何处理器模式下被访问。每一种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。在异常退出时，可以用SPSR中保存的值来恢复CPSR。CPSR的具体格式如下。

DNMLRAZ

1）条件标志位

N（Negative）、Z（Zero）、C（Carry）及V（oVerflow）统称为条件标志位。大部分的ARM指令可以依据CPSR中的这些标志位来选择性地执行。各条件标志位的具体含义，如表1-4所示。

表1 4 CPSR标志位含义

标志位

含义

本位设置成当前指令运算结果的bit[31]的值

当两个补码表示的有符号整数运算时，N＝1表示运算的结果为负数，N＝0 表示结果为正数或零

Z＝1表示运算结果是0，Z＝0表示运算结果不是零

对于CMP指令，Z＝1表示进行比较的两个数大小相等

在加法指令中（包括比较指令CMN），结果产生进位了，则C＝1，表示无符号数运算发生上溢出，其他情况下C＝0

在减法指令中（包括比较指令CMP），结果产生借位了，则C＝0，表示无符号数运算发生下溢出，其他情况下C＝1

对于包含移位操作的非加/减法运算指令，C中包含最后一次被溢出的位的数值，对于其他非加/减法运算指令，C位的值通常不受影响

对于加/减法运算指令，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表示符号位溢出

其他的指令通常不影响V位

2）Q标志位

在ARM v5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。

3）CPSR中的控制位

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 I中断禁止位

当I＝1时禁止IRQ中断。

当F＝1时禁止FIQ中断。

通常一旦进入中断服务程序可以通过置位I和F来禁止中断，但是在本中断服务程序退出前必须恢复原来I、F位的值。

② T控制位，用来控制指令执行的状态，即说明本指令是ARM指令还是Thumb指令。对于不同版本的ARM处理器，T控制位的含义是有些不同的。

对于ARM v3及更低的版本和ARM v4的非T系列版本的处理器，没有ARM和Thumb指令的切换，所以T始终为0。

对于ARM v4及更高版本的T系列处理器，T控制位含义如下。

当T＝0，表示执行ARM指令。

当T＝1，表示执行Thumb指令。

对于ARM v5及更高的版本的非T系列处理器，T控制位的含义如下。

当T＝0表示执行ARM指令。

当T＝1表示强制下一条执行的指令产生为定义指令中断。

③ M 控制位

控制位M[4:0]称为处理器模式标识位，具体说明如表1-5所示。

CPSR 处理器模式位

M[4:0]

处理器模式

可访问的寄存器

0b10000

User

PC,R14～R0,CPSR

0b10001

FIQ

PC,R14_fiq～R8_fiq,R7～R0,CPSR,SPSR_fiq

0b10010

IRQ

PC,R14_irq～R13_irq,R12～R0,CPSR,SPSR_irq

0b10011

Supervisor

PC,R14_svc～R13_svc,R12～R0,CPSR,SPSR_svc

0b10111

Abort

PC,R14_abt～R13_abt,R12～R0,CPSR,SPSR_abt

0b11011

Undefined

PC,R14_und～R13_und,R12～R0,CPSR,SPSR_und

0b11111

System

PC,R14～R0,CPSR（ARM v4及更高版本）

CPSR的其他位用于将来ARM版本的扩展，程序可以先不操作这些位。