ARM寄存器小结
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ARM处理器共有37个寄存器。其中包括:31个通用寄存器,包括程序计数器(PC)在内。这些寄存器都是32位寄存器。以及6个32位状态寄存器。但目前只使用了其中12位。ARM处理器共有7种不同的处理器模式,在每一种处理器模式中有一组相应的寄存器组。任意时刻(也就是任意的处理器模式下),可见的寄存器包括15个通用寄存器(R0~R14)、一个或两个状态寄存器及程序计数器(PC)。
表1各种处理器模式下的寄存器
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 |
R0 | R0 | R0 | R0 | R0 | R0 | R0 |
R1 | R1 | R1 | R1 | R1 | R1 | R1 |
R2 | R2 | R2 | R2 | R2 | R2 | R2 |
R3 | R3 | R3 | R3 | R3 | R3 | R3 |
R4 | R4 | R4 | R4 | R4 | R4 | R4 |
R5 | R5 | R5 | R5 | R5 | R5 | R5 |
R6 | R6 | R6 | R6 | R6 | R6 | R6 |
R8 | R8 | R8 | R8 | R8 | R8 | R8_fiq |
R9 | R9 | R9 | R9 | R9 | R9 | R9_fiq |
R10 | R10 | R10 | R10 | R10 | R10 | R10_fiq |
R11 | R11 | R11 | R11 | R11 | R11 | R11_fiq |
R12 | R12 | R12 | R12 | R12 | R12 | R12_fiq |
R13 | R13 | R13_svc | R13_abt | R13_und | R13_inq | R13_fiq |
R14 | R14 | R14_svc | R14_abt | R14_und | R14_inq | R14_fiq |
PC | PC | PC | PC | PC | PC | PC |
CPSR | CPSR | CPSR SPSR_svc | CPSR SPSR_abt | CPSR SPSR_und | CPSR SPSR_inq | CPSR SPSR_fiq |
未备份寄存器包括R0~R7。对于每一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。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。
对于备份寄存器R8~R12来说,每个寄存器对应两个不同的物理寄存器。系统没有将这几个寄存器用于任何的特殊用途,但是当中断处理非常简单,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非常迅速。对于备份寄存器R13和R14,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和系统模式共用的;另外的5个对应于其他5种处理器模式。采用记号R13_
寄存器R13在ARM中常用作栈指针。在ARM指令集中,这只是一种习惯的用法,并没有任何指令强制性的使用R13作为栈指针,用户也可以使用其他的寄存器作为栈指针;而在Thumb指令集中,有一些指令强制性地使用R13作为栈指针。每一种异常模式拥有自己的物理的R13。应用程序初始化该R13,使其指向该异常模式专用的栈地址。当进入异常模式时,可以将需要使用的寄存器保存在R13所指的栈中;当退出异常处理程序时,将保存在R13所指的栈中的寄存器值弹出。这样就使异常处理程序不会破坏被其中断程序的运行现场。
寄存器R14又被称为连接寄存器(Link Register,LR),在ARM体系中具有下面两种特殊的作用:1、每一种处理器模式自己的物理R14中存放在当前子程序的返回地址。当通过BL或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,子程序即返回。2、当异常中断发生时,该异常模式特定的物理R14被设置成该异常模式将要返回的地址,对于有些异常模式,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。R14寄存器也可以作为通用寄存器使用。
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。
对于ARM版本4以及更高的版本,程序必须保证写入R15寄存器的地址值的bits[1:0]为0b00;否则将会产生不可预知的结果。对于Thumb指令集来说,指令是半字对齐的,处理器将忽略bit[0]。即写入R15的地址值首先与0XFFFFFFFC做与操作,再写入R15中。
还有—些指令对于R15的用法有一些特殊的要求。比如,指令BX利用bit[0]来确定是ARM指令,还是Thumb指令。这种读取PC值和写入PC值的不对称的操作需要特别注意。
需要注意的是,当使用str/stm保存R15时,保存的可能是当前指令地址值加8个字节,也可能保存的是当前指令地址值加12个字节。到底哪种方式取决于芯片的具体设计。对于用户来说,尽量避免使用STR/STM
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