ARM寄存器

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Author             :tiger-john
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Update-Time   : 2011年2月14日星期一

Tiger聲明：本人鄙視直接復(fù)制本人文章而不加出處的個人或團(tuán)體,，

但不排斥別人轉(zhuǎn)載tiger-john的文章，只是請您注明出處并和本人

聯(lián)系或留言給我,。3Q

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在ARM處理器內(nèi)部共有37個用戶可訪問的寄存器,，分別為

31個通用的32位寄存器和6個狀態(tài)寄存器。

一．通用寄存器：

1.在匯編語言中,，寄存器R0-R13為保存數(shù)據(jù)或地址值的通用寄存器,。

2.其中寄存器R0-R7為未分組的寄存器。

對于任何處理器模式,，它們都共享R0~R7的通用寄存器。

3.寄存器R8-R12為兩個分組的物理寄存器,。

   a.FIQ擁有自己獨(dú)立的R8~R12的通用寄存器,。

   b.其他六種處理器模式共享R8~R12的通用寄存器

注：寄存器R8~R12在ARM體系結(jié)構(gòu)中沒有特定的用途。

給FIQ單獨(dú)的R8~R12可實現(xiàn)快速的中斷處理（在發(fā)生FIQ中斷后,，處理器不用為了保護(hù)寄存器而浪費(fèi)時間,，從而提高了FIQ的處理速度）

4.寄存器R13和R14

a.     用戶模式和系統(tǒng)模式公用R13和R14的寄存器內(nèi)容。

b.    其它五個模式擁有自己獨(dú)立的R13和r14寄存器內(nèi)容,。

c.     R13作為堆棧指針(SP),，用于保存待使用的寄存器內(nèi)容。

d.    寄存器R14稱為鏈接寄存器(LR),它的作用有兩個：

l  當(dāng)使用BL指令調(diào)用子程序時,，系統(tǒng)會自動將 BL指令的下一條指令的地址存入R14中,。

  程序A指令過程中調(diào)用程序B

  程序跳轉(zhuǎn)至標(biāo)號Lable處，執(zhí)行程序B.

  系統(tǒng)將BL Lable指令的下一條指令所在地址存入R14中

  程序B執(zhí)行最后，執(zhí)行語句MOV PC,LR將R14寄存器的內(nèi)容放入PC處,，返回至NEXT處繼續(xù)執(zhí)行,。

二．重要的寄存器

1.堆棧指針R13

R13作為堆棧指針SP,。在ARM指令集中,，由于沒有以特殊方式使用R13的指令。（在Thumb）指令集中存在使用R13的指令）

每個異常模式都有其自身的R13分組版本,，它通常指向由異常模式所專用的堆棧,。在入口處，異常處理程序通常將其他要使用的寄存器值保存到這個堆棧,。通過返回時將這些值重裝到寄存器中,。異常處理程序可確保異常發(fā)生時的程序狀態(tài)不會被破壞。

2.鏈接寄存器R14

寄存器R14(也稱為鏈接寄存器或LR)在結(jié)構(gòu)上有兩個特殊功能：

1>在每種模式下,，模式自身的R14用于保存子程序返回地址,。

a.     當(dāng)使用BL或BLX指令調(diào)用子程序時，R14設(shè)置為子程序返回地址,。

b.    子程序返回通過將R14復(fù)制到程序計數(shù)器來實現(xiàn),。（p41）

2>當(dāng)發(fā)生異常時，將R14對應(yīng)的異常模式設(shè)置為返回地址,。異常返回的執(zhí)行類似于子程序返回,，只是使用稍微不同的指令來確保被異常中斷的程序狀態(tài)能夠完全恢復(fù)。

3.程序計數(shù)器R15

1>R15里存放的是正在取值的指令,。

而人們一般習(xí)慣的約定將“正在執(zhí)行”的指令作為參考點,，則：PC=當(dāng)前程序執(zhí)行位置+8

2>七種模式共用R15寄存器。

3>由于ARM指令總是以字節(jié)為單位,，所以R15寄存器的最低兩位總是為0,。

注：

1.    當(dāng)指令對R15的讀取沒有超過任何對R15使用的限制時，對R15讀取的值是指令的地址加上8字節(jié),。

2.    用命令讀取PC的方式主要用于對附近的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速,，與位置無關(guān)的尋址，包括程序中與位置無關(guān)的移動,。

3.    但是在使用STR或STM指令保存時,，會出現(xiàn)兩種情況：

A.     這些指令可將指令地址加8字節(jié)保存（和其它指令讀取R15一樣）

B.     這些指令或?qū)⒅噶钭陨淼刂芳?/span>12字節(jié)。

這與具體的芯片有關(guān),。

由于這個原因,，使用STR和STM指令是不可移植的。

因此,，我們要避免使用STR和STM指令來保存R15.

4.    使用下面的程序可以看到這個具體的偏移量,。

5.    寫R15的一般限制：寫如R15值的bit[1:0] 必須為0b00,；如果不是，則結(jié)果將不可預(yù)測,。

6.    大多數(shù)指令通過指令所指的偏移量與PC值相加并將結(jié)果寫入PC來計算目標(biāo)地址：

(當(dāng)前指令的地址)+8+偏移量,。

7.    正常連續(xù)執(zhí)行的指令實際上是通過計算：

（當(dāng)前指令的地址）+4

來計算下一條要執(zhí)行的指令。

注：區(qū)別兩個概念：

1.    跳轉(zhuǎn)目標(biāo)的計算方法：

（當(dāng)前指令的地址）+8+偏移量

2.    下一條指令位置的計算方法：

（當(dāng)前指令的地址）+4

三．當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器

在ARM內(nèi)核中包含1個CPSR和5個供異常處理程序使用的SPSR.

先來看圖

1.    CPSR(當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器)

1>七中模式共享一個程序狀態(tài)寄存器,。

2>在進(jìn)入異常模式中,，另外一個寄存器程序狀態(tài)保存寄存器SPSR可以被訪問(系統(tǒng)和用戶模式?jīng)]有SPSR寄存器,其它五中模式都有其自己獨(dú)立的SPSR寄存器)。在進(jìn)入異常時,，它保存CPSR的當(dāng)前值,；在異常退出時，可通過它恢復(fù)CPSR.

作用：反映當(dāng)前處理器的狀態(tài),，其包含：

a.4個條件標(biāo)志位(負(fù)標(biāo)志位N,零標(biāo)志Z,近位標(biāo)志位C和溢出標(biāo)志位V)

b.2個中斷禁止位,，分別用于一種類型的中斷。

c.5個對當(dāng)前處理器模式進(jìn)行編碼的位

d.1個用于指示當(dāng)前處理器狀態(tài)的標(biāo)志位（t）

John哥說明：

切記在修改寄存器中的值時,，要采用讀-修該-寫的方式,。

（首先讀出目標(biāo)寄存器中的數(shù)據(jù)，再對關(guān)心的比特進(jìn)行修改,，之后將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)寫回到目標(biāo)寄存器中,。）

這樣做的好處是：

1.不會改變原來不相關(guān)管腳的功能屬性。

2.不會影響到寄存器中保留位的數(shù)據(jù),。

eg:PINSEL0 = (PINSEL0 & (~(3<<10)) |( 2<<10);

這時一種良好的寫法,，他實現(xiàn)了對P0.5端腳的修改（即對PINSEL0寄存器中的11：10位比特位進(jìn)行修改，對于他實現(xiàn)的功能請查閱數(shù)據(jù)手冊,，這里不做解釋）

盡量不要采用直接對寄存器寫的操作,，因為這樣可能把寄存器中的所用值都修改了。那么它的后果,，我想哥不說你也明白,。

2.    條件代碼標(biāo)志：

N:當(dāng)該位為1時：表示負(fù)數(shù)。為0時：表示正數(shù),。

Z:當(dāng)該位為1時：表示兩數(shù)相等,。為0時：表示兩數(shù)不相等。

C:當(dāng)該為1時：若為加法運(yùn)算(含CMN)表示產(chǎn)生進(jìn)位,，否則C=0;

      當(dāng)該位為1時：若為減法運(yùn)算(含CMP)表示不借位,，否則C=0(即產(chǎn)生借位)

    注：對于移位運(yùn)算C為最后的移出值,，其他指令C通常不變,。

V:當(dāng)該位為1時：使用加法/減法運(yùn)算時，表示有符號溢出,。,；否則V=0;

注：

在ARM中，所用指令都可按條件來執(zhí)行。

在Thumb中,，只有分支指令可條件執(zhí)行,。

3.    控制位：

CPSR的最低8位為控制位。分別是中斷禁止位,，T位,，模位。

1>  當(dāng)發(fā)生異常時,，控制位改變,。當(dāng)處理器在一個特權(quán)模式下操作時，可用軟件操作這些位,。

a.     中斷標(biāo)志位：

當(dāng)I位為1時,，IRQ中斷被禁止

當(dāng)F位為1時，FIQ中斷被禁止.

b.    T位：

該位反映了處理器狀態(tài)：

當(dāng)T位為1時,，處理器處于Thumb狀態(tài)下運(yùn)行,。

當(dāng)T位為0時，處理器處于ARM狀態(tài)下運(yùn)行,。

John哥說明：

絕對不要強(qiáng)制改變CPRS寄存器中的T位,，否則處理器會進(jìn)入一個無法預(yù)測的狀態(tài)，那么你也就杯具了,。

2>  模式為

M4,M3,M2,M1和M0位都是模式位,。這些位決定處理器的操作模式（不是所用模式位的組合都定義有有效的處理器模式，因此注意不要使用表中未列出的組合,。

看個圖：

Tiger說明：

1.切記不可把非法的值寫入模式位,，否則處理器將進(jìn)入一個無法恢復(fù)的模式。如果你這樣做了,，tiger恭喜你杯具了,。那么你現(xiàn)在要做的就是按下開發(fā)板的復(fù)位鍵，嚴(yán)重的就只能拔掉電源,。重新啟動了

2.在對CPRS寄存器進(jìn)行操作時,，不能操作保留位。

3.每個異常模式還帶有一個程序狀態(tài)保存寄存器(SPSR),它用于保存任務(wù)在異常發(fā)生之前的CPSR.

四．Thumb狀態(tài)下的寄存器

1.Thumb狀態(tài)寄存器是ARM狀態(tài)集的子集,，它有

l  8個通用寄存器（R0~R7）

l  程序計算器（PC）

l  堆棧指針（SP）

l  鏈接寄存器（LR）

l  當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器（CPSR）

1>  七個模式公用8個通用寄存器（R0~R8）,。

2>  SP(堆棧指針寄存器)，對應(yīng)ARM狀態(tài)下的寄存器R13,每個異常模式都有其自己獨(dú)立的SP,，SP指向各異常模式所專用的堆棧,。

<在發(fā)生異常時，處理器會自動進(jìn)入ARM狀態(tài),。>

3>  鏈接寄存器(LR)對應(yīng)ARM狀態(tài)寄存器R14.

發(fā)生異常時,，處理器自動進(jìn)入ARM狀態(tài),。

4>  當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器(CPSR)對應(yīng)ARM狀態(tài)寄存器R14。.

2.Thumb狀態(tài)寄存器和ARM狀態(tài)寄存器之間的映射,。

1>  Thumb 狀態(tài)中的R0~R7與ARM狀態(tài)R0~R7相  同,。

2>  Thumb狀態(tài)中的SP映射到ARM狀態(tài)下的R13中

3>  Thumb狀態(tài)中的LR映射到ARM狀態(tài)R14中。

4>  Thumb狀態(tài)中的PC映射到ARM狀態(tài)R15(PC)寄存器中,。

5>  Thumb狀態(tài)CPSR（在Thumb狀態(tài)中無SPSR）與ARM狀態(tài)CPSR相同,。

注：在Thumb中，高端寄存器的訪問是受到限制的,，只有MOV,，CMP和ADD指令可以對其訪問，可以用于數(shù)據(jù)的快速暫存,。