ARM寄存器介绍

ARM微处理器共有37个32位寄存器，其中31个为通用寄存器，6个为状态寄存器。但是这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问的，取决微处理器的工作状态及具体的运行模式。但在任何时候，通用寄存器R14～R0、程序计数器PC、一个或两个状态寄存器都是可访问的。

一、ARM工作状态下的寄存器组织
通用寄存器：
通用寄存器包括R0～R15，可以分为三类：
        ─ 未分组寄存器R0～R7，8个
        ─ 分组寄存器R8～R14，22个
        ─ 程序计数器PC(R15)，1个
未分组寄存器R0～R7：
       在所有的运行模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄存器，他们未被系统用作特殊的用途，因此，在中断或异常处理进行运行模式转换时，由于不同的处理器运行模式均使用相同的物理寄存器，可能会造成寄存器中数据的破坏，这一点在进行程序设计时应引起注意。
分组寄存器R8～R14
       对于分组寄存器，他们每一次所访问的物理寄存器与处理器当前的运行模式有关。
       对于R8～R12来说，每个寄存器对应两个不同的物理寄存器，当使用fiq模式时，访问寄存器R8_fiq～R12_fiq；当使用除fiq模式以外的其他模式时，访问寄存器R8_usr～R12_usr。
       对于R13、R14来说，每个寄存器对应6个不同的物理寄存器，其中的一个是用户模式与系统模式共用，另外5个物理寄存器对应于其他5种不同的运行模式。
采用以下的记号来区分不同的物理寄存器：
R13_
R14_
其中，mode为以下几种模式之一：usr、fiq、irq、svc、abt、und。
       寄存器R13在ARM指令中常用作堆栈指针，但这只是一种习惯用法，用户也可使用其他的寄存器作为堆栈指针。而在Thumb指令集中，某些指令强制性的要求使用R13作为堆栈指针。
       由于处理器的每种运行模式均有自己独立的物理寄存器R13，在用户应用程序的初始化部分，一般都要初始化每种模式下的R13，使其指向该运行模式的栈空间，这样，当程序的运行进入异常模式时，可以将需要保护的寄存器放入R13所指向的堆栈，而当程序从异常模式返回时，则从对应的堆栈中恢复，采用这种方式可以保证异常发生后程序的正常执行。
       R14也称作子程序连接寄存器（Subroutine Link Register）或连接寄存器LR。当执行BL子程序调用指令时，R14中得到R15（程序计数器PC）的备份。其他情况下，R14用作通用寄存器。与之类似，当发生中断或异常时，对应的分组寄存器R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt和R14_und用来保存R15的返回值。
寄存器R14常用在如下的情况：
       在每一种运行模式下，都可用R14保存子程序的返回地址，当用BL或BLX指令调用子程序时，将PC的当前值拷贝给R14，执行完子程序后，又将R14的值拷贝回PC，即可完成子程序的调用返回。以上的描述可用指令完成：
1、执行以下任意一条指令：
MOV PC，LR
BX LR
2、在子程序入口处使用以下指令将R14存入堆栈：
STMFD SP！,{,LR}
对应的，使用以下指令可以完成子程序返回：
LDMFD SP！,{,PC}
R14也可作为通用寄存器。
程序计数器PC(R15)
       寄存器R15用作程序计数器（PC）。在ARM状态下，位[1:0]为0，位[31:2]用于保存PC；在Thumb状态下，位[0]为0，位 [31:1]用于保存PC；虽然可以用作通用寄存器，但是有一些指令在使用R15时有一些特殊限制，若不注意，执行的结果将是不可预料的。
       R15虽然也可用作通用寄存器，但一般不这么使用，因为对R15的使用有一些特殊的限制，当违反了这些限制时，程序的执行结果是未知的。
       由于ARM体系结构采用了多级流水线技术，对于ARM指令集而言，PC总是指向当前指令的下两条指令的地址，即PC的值为当前指令的地址值加8个字节。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

      在ARM状态下，任一时刻可以访问以上所讨论的16个通用寄存器和一到两个状态寄存器。在非用户模式（特权模式）下，则可访问到特定模式分组寄存器，图2.3说明在每一种运行模式下，哪一些寄存器是可以访问的。
寄存器R16：
       寄存器R16用作CPSR(Current Program Status Register，当前程序状态寄存器)，CPSR可在任何运行模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位，以及其他一些相关的控制和状态位。
       每一种运行模式下又都有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR（Saved Program Status Register，备份的程序状态寄存器），当异常发生时，SPSR用于保存CPSR的当前值，从异常退出时则可由SPSR来恢复CPSR。
       由于用户模式和系统模式不属于异常模式，他们没有SPSR，当在这两种模式下访问SPSR，结果是未知的。
二、Thumb工作状态下的寄存器组织
      Thumb状态下的寄存器集是ARM状态下寄存器集的一个子集，程序可以直接访问8个通用寄存器（R7～R0）、程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）、连接寄存器（LR）和CPSR。同时，在每一种特权模式下都有一组SP、LR和SPSR。图2.4表明Thumb状态下的寄存器组织。

Thumb状态下的寄存器组织与ARM状态下的寄存器组织的关系：
       ─ Thumb状态下和ARM状态下的R0～R7是相同的。
       ─ Thumb状态下和ARM状态下的CPSR和所有的SPSR是相同的。
       ─ Thumb状态下的SP对应于ARM状态下的R13。
       ─ Thumb状态下的LR对应于ARM状态下的R14。
       ─ Thumb状态下的程序计数器对应于ARM状态下R15
以上的对应关系如图2.5所示：

访问THUMB状态下的高位寄存器（Hi-registers）：
       在Thumb状态下，高位寄存器R8～R15并不是标准寄存器集的一部分，但可使用汇编语言程序受限制的访问这些寄存器，将其用作快速的暂存器。使用带特殊变量的MOV指令，数据可以在低位寄存器和高位寄存器之间进行传送；高位寄存器的值可以使用CMP和ADD指令进行比较或加上低位寄存器中的值。

程序状态寄存器
       ARM体系结构包含一个当前程序状态寄存器（CPSR）和五个备份的程序状态寄存器（SPSRs）。备份的程序状态寄存器用来进行异常处理，其功能包括：
      ─ 保存ALU中的当前操作信息
      ─ 控制允许和禁止中断
      ─ 设置处理器的运行模式
程序状态寄存器的每一位的安排如图2.6所示：

条件码标志（Condition Code Flags）
       N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行。
       在ARM状态下，绝大多数的指令都是有条件执行的。
       在Thumb状态下，仅有分支指令是有条件执行的。

N Negative        如果结果是负数则置位
  Z Zero            如果结果是零则置位
  C Carry           如果发生进位则置位
  O Overflow        如果发生溢出则置位
  I IRQ             中断禁用
  F FIQ             快速中断禁用
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）