ARM寄存器R13/R14/R15

寄存器R13在ARM指令中常用作堆栈指针SP,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。

寄存器R14称为子程序链接寄存器LR(Link Register),当执行子程序调用指令(BL)时,R14可得到R15(程序计数器PC)的备份。

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的当前值复制给R14,执行完子程序后,又将R14的值复制回PC,即可完成子程序的调用返回。以上的描述可用指令完成。
执行以下任意一条指令:

MOV PC, LR
BX LR
在子程序入口处使用以下指令将PC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。


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(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。)。
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个字节程序状态寄存器。

需要注意的是当使用STR/STM保持R15时,保存的可能是当前指令地址值加8字节,也可能是加12字节,到底是哪种方式,取决于芯片具体设计方式。可以通过代码开验证芯片使用的是哪种实现方式:

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
R0返回该芯片所采用的地址偏移量。

这种读取PC值和写入PC值得不对称的操作需要注意。如指令 MOV PC, PC 将程序跳转到当前指令下面的第2条指令处执行。第2个PC寄存器读出的值为当前指令的地址加8,这样对ARM指令而言写入PC寄存器的是当前指令下面的第2条指令的地址。类似的指令还有ADD PC, PC, #0。




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