arm寄存器之r14,r15

   最近在学习ARM，发现多出一个R14寄存器（LR：返回连接寄存器），不是有PC指针寄存器（R15）了吗，怎么还需要这个呢？

于是在网上查找各种资料，发现了其中的秘密：

先看定义：

（1）PC是程序计数器，存储将要执行的指令地址

（2）LR是链接寄存器，是ARM处理器中一个有特殊用途的寄存器，当调用函数时，返回地址即PC的值被保存到LR中（mov lr,pc）。

（3）IR是指令寄存器，用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到数据寄存器（DR）中，然后再传送至IR。

区别：

（1）IR是微体系结构概念（什么是微体系结构？就是程序员看不到，但硬件中确实存在的硬件逻辑，只有系统设计者知道其存在。），而LR是程序员可见的寄存器。比如用gdb调试程序时，如果打印LR寄存器内容是可以看到其值的，但是打印IR是不可能的。

（2）LR是PC的备份，PC寄存器存的是将要执行的指令的地址；IR存的是将要送到ALU等部件执行的指令内容。

   异常的发生会导致程序正常运行的被打断，并将控制流转移到相应的异常处理（异常响应），有些异常（fiq、irq）事件处理后，系统还希望能回到当初异常发生时被打断的源程序
断点处继续完成源程序的执行（异常返回），这就需要一种解决方案，用于记录源程序的断
点位置，以便正确的异常返回。 
    类似的还有子程序的调用和返回。在主程序中（通过子程序调用指令）调用子程序时，
也需要记录下主程序中的调用点位置，以便将来的子程序的返回。

 

    在ARM处理器中使用 R14实现对断点和调用点的记录，即使用R14用作返回连接寄存器（LR ）。在硬件上和指令执行上，CPU 自动完成相应返回点的记录。在ARM 汇编语言程序设计时，R14和LR通用。
    ARM处理器相应异常时，会自动完成将当前的PC保存到LR寄存器。
    ARM处理器执行子程序调用指令（BL ）时，会自动完成将当前的PC的值减去4的结果数据保存到LR寄存器。即将调用指令的下紧邻指令的地址保存到LR。
    ARM处理器针对不同的模式，共有6个链接寄存器资源（LR ），其中用户模式和系统
模式共用一个 LR，每种异常模式都有各自专用的R14 寄存器（LR ）。这些链接寄存器分别
为 R14、R14_svc、R14_abt、R14_und、R14_irq、R14_fiq，

  程序设计者要清晰处理器的模式与相应寄存器的对应关系，都是使用 R14，但不同模式下的R14 不是同一个物理资源，其内容可能天壤之别。
    R14 不用做链接寄存器（LR ）时，也可以用做通用数据寄存器。

   接下来我们讨论下，为什么PC指针不是每次都加1，而是加上一个固定的常数，此常数跟芯片内核架构有关。

    

     冯 ·诺伊曼计算机体系结构的主要内容之一就是“程序预存储，计算机自动执行”！处理器要执行的程序（指令序列）都是以二进制代码序列方式预存储在计算机的存储器中，处理器将这些代码逐条地取到处理器中再译码、执行，以完成整个程序的执行。为了保证程序能够连续地执行下去，CPU必须具有某些手段来确定下一条取指指令的地址。程序计数器（PC ）正是起到这种作用，所以通常又称之为‘指令计数器’。CPU总是按照PC的指向对指令序列进行取指、译码和执行，也就是说，最终是PC 决定了程序运行流向。故而，程序计数器（PC ）属于特别功能寄存器范畴，不能自由地用于存储其他运算数据。
    在程序开始执行前，将程序指令序列的起始地址，即程序的第一条指令所在的内存单元地址送入PC，CPU  按照 PC的指示从内存读取第一条指令（取指）。当执行指令时，CPU自动地修改PC  的内容，即每执行一条指令PC增加一个量，这个量等于指令所含的字节数（指令字节数），使 PC总是指向下一条将要取指的指令地址。由于大多数指令都是按顺序来执行的，所以修改PC 的过程通常只是简单的对PC 加“指令字节数”。
    当程序转移时，转移指令执行的最终结果就是要改变PC的值，此PC值就是转去的目标地址。处理器总是按照PC 指向取指、译码、执行，以此实现了程序转移。 

    ARM 处理器中使用R15 作为PC，它总是指向取指单元，并且ARM 处理器中只有一个PC 寄存器，被各模式共用。R15 有32 位宽度（下述标记为R15[31:0]，表示R15 的‘第31位’到‘第0位'），ARM 处理器可以直接寻址4GB 的地址空间（2^32 = 4G ）。

 

    (解释什么是字对齐什么是半字对齐)存储器是计算机中用于记忆数据信息的电子装置，它通过记忆“高/低”电平记忆“1/0”能记忆 1 位“1/0”数据的电子单元，称之为存储元，计算机中的存储器通常将每8 个这样的存储元组成一个单元，称之为字节，字节是处理器访问存储器的最小单位。ARM 处理器对存储器空间的访问分辨率以字节为最小单位；ARM 处理器还支持 16bit 数据（2 字节）的存储器访问和 32bit数据（4 子节）的存储器访问。在ARM 中将32 位的数据称之为‘字’，将 16 位的数据称之为‘半字’。
    ARM 处理器在对于“字”/ “半字”数据进行访问时，对数据的存储格式是有要求的。要求被访问的“半字”必须存放在存储器紧邻的两个字节单元，并且首字节地址必须能被2整除，这样存储的 16bit 数据称为 ‘半字对齐’存储数据，16bit 数据这样的存储方式称为 ‘半字对齐’存储。类似的，ARM 处理器在进“字”数据访问时，要求被访问的“字”必须 存放在存储器紧邻的4 个字节单元，并且首字节地址必须能被4 整除，这样存储的32bit 数 据称为‘字对齐’存储数据，32bit 数据这样的存储方式称为‘字对齐’存储。 

    能被2 整除数据的二进制表示，其最低位一定是‘0’；能被4 整除数据的二进制表示，
其最低两位一定是‘00’。ARM 体系要求32 位长的ARM 指令在存储器中必须字对齐存储，
16 位长的 Thumb 指令必须半字对齐存储。因此，在ARM 状态下，R15  的值总是能被4 整
除，也就是R15 寄存器的最低2 位总是 0；Thumb 状态下，R15 的值总是能被2 整除，也就是R15 寄存器的最低位总是0。