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ARM寄存器簡(jiǎn)介

2018-10-16 21:48:45
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ARM處理器含有37個(gè)寄存器,這些寄存器包括以下兩類(lèi)寄存器。

(1)31個(gè)通用寄存器:包括程序計數器PC等,這些寄存器都是32位寄存器。

(2)6個(gè)狀態(tài)寄存器:狀態(tài)寄存器也是32位的寄存器,但是只使用了其中的12位。

 

1.通用寄存器
在A(yíng)RM處理器的7種模式下都有一組對應的寄存器組。在任意時(shí)刻,可見(jiàn)的寄存器組包括15個(gè)通用寄存器R0~R14、一個(gè)或兩個(gè)狀態(tài)寄存器和PC。在所有的寄存器中,有些是各種模式下共用的同一個(gè)物理寄存器,有些是各種模式自己獨立擁有的物理寄存器。詳細如表1-3所示。

表1-3 ARM物理寄存器

用戶(hù)模式

系統模式

特權模式

中止模式

未定義指令模

外部中斷模

快速中斷模

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

R7

R7

R7

R7

R7

R7

R7

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_irq

R13_fiq

R14

R14

R14_svc

R14_abt

R14_und

R14_irq

R14_fiq

PC

PC

PC

PC

PC

PC

PC

CPSR

CPSR

CPSR

CPSR

CPSR

CPSR

CPSR

 

 

SPSR_svc

SPSR_abt

SPSR_und

SPSR_irq

SPSR_fiq

 

通用寄存器通常又可以分為下面3類(lèi)。

未備份寄存器:包括R0~R7。

備份寄存器:包括R8~R14。

程序計數器PC:即R15。

1)未備份寄存器R0~R7

對于每個(gè)未備份寄存器來(lái)說(shuō),在所有的處理器模式下指的都是同一個(gè)物理寄存器,在異常中斷造成處理器模式切換時(shí),由于不同的處理器模式使用相同的物理寄存器,可能造成寄存器中數據被破壞。未備份寄存器沒(méi)有被系統用于特別的用途,任何可采用通用寄存器的應用場(chǎng)合都可以使用未備份寄存器。

2)備份寄存器R8~R14

備份寄存器中的每個(gè)寄存器對應于兩個(gè)不同的物理寄存器。例如,當使用快速中斷模式下的寄存器時(shí),寄存器R8和寄存器R9分別記做R8_fiq和 R9_fiq,當使用用戶(hù)模式下的寄存器時(shí),寄存器R8和寄存器R9分別記做R8_usr和R9_usr等。在這兩種情況下使用的是不同的物理寄存器,系統沒(méi)有將這幾個(gè)寄存器用于任何的特殊用途。中斷處理非常簡(jiǎn)單,僅僅使用R8~R14寄存器時(shí),FIQ處理程序可以不必執行保存和恢復中斷現場(chǎng)的指令,從而可以使中斷處理過(guò)程很迅速。

對于備份寄存器R13、R14來(lái)說(shuō),每個(gè)寄存器對應于6個(gè)不同的物理寄存器,其中的一個(gè)是用戶(hù)模式和系統模式共用的,另外的5個(gè)則對應于其他5種處理器模式,采用下面的方法來(lái)標識。

R13_<mode>,

其中<mode>是usr、svc、abt、und、irq和fiq的一種。

R13通常用做堆棧指針。每一種模式都擁有自己的物理R13。程序初始化R13,使其指向該模式專(zhuān)用的棧地址。當進(jìn)入該模式時(shí),可以將需要使用的寄存器保存在R13所指的棧中,當退出該模式時(shí),將保存在R13所指的棧中的寄存器值彈出。這樣就實(shí)現了程序的現場(chǎng)保護。

寄存器R14又被稱(chēng)為連接寄存器(LR),在A(yíng)RM中有下面兩種特殊用途。

① 每一種處理器模式在自己的物理R14中存放當前子程序的返回地址。當通過(guò)BL或者BLX指令調用子程序時(shí),R14被設置成該子程序的返回地址。在子程序中,當把R14的值復制到程序計數器PC中時(shí),就實(shí)現了子程序返回。

可以通過(guò)下面兩種方式實(shí)現這種子程序的返回操作。

◆執行下面任何一條指令

MOV      pc, LR

BX          LR

◆在子程序入口使用下面指令將PC保存到棧中:

STMFD  SP!, {registers}, LR}

相應地,下面的指令可以實(shí)現子程序的返回:

LDMFD  SP!, { registers}, LR }

② 當發(fā)生異常中斷的時(shí)候,該模式下的特定物理R14被設置成該異常模式將要返回的地址。對于某些異常,R14的值可能與將返回的地址有一個(gè)常數的偏移量。具體的返回方式與上面的子程序返回方式基本相同。

3)程序計數器PC→R15

程序計數器R15又被記作PC。它雖然可以作為一般的通用寄存器使用,但是有一些指令在使用R15時(shí)有一些特殊限制。當違反了這些限制時(shí),該指令執行的結果將是不可預料的。

由于A(yíng)RM采用了流水線(xiàn)機制,當正確讀取了PC的值時(shí),該值為當前指令地址值加8個(gè)字節。也就是說(shuō),對于A(yíng)RM指令集來(lái)說(shuō),PC指向當前指令的下兩條指令的地址。由于A(yíng)RM指令是字對齊的,PC值的第0位和第1位總為0。
需要注意的是,當使用指令STR/STM保存R15時(shí),保存的可能是當前指令地址值加8字節,也可能保存的是當前指令地址加12字節。到底是哪種方式,取決于芯片具體設計方式。無(wú)論如何,在同一芯片中,要么采用當前指令地址加8,要么采用當前指令地址加12,不能有些指令采用當前指令地址加8,另一些指令采用當前指令地址加12。因此對于用戶(hù)來(lái)說(shuō),盡量避免使用STR/STM指令來(lái)保存R15的值。當不可避免這種使用方式時(shí),可以先通過(guò)一些代碼來(lái)確定所用的芯片使用的是哪種實(shí)現方式。

假設R0指向可用的一個(gè)內存字,下面代碼可以在R0指向的內存字中返回該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]               ;將PC=STR地址+offset保存到R0中

LDR       R0, [R0]                ;

SUB        R0, R0, R1            ;offset=PC-STR地址


2.程序狀態(tài)寄存器
CPSR(當前程序狀態(tài)寄存器)可以在任何處理器模式下被訪(fǎng)問(wèn)。每一種模式下都有一個(gè)專(zhuān)用的物理狀態(tài)寄存器,稱(chēng)為SPSR(備份程序狀態(tài)寄存器)。當特定的異常中斷發(fā)生時(shí),這個(gè)寄存器用于存放當前程序狀態(tài)寄存器的內容。在異常退出時(shí),可以用 SPSR中保存的值來(lái)恢復CPSR。CPSR的具體格式如下。

31

30

29

28

27

26

7

6

5

4

3

21

0

N

Z

C

V

Q

DNMLRAZ

I

F

I

M4

M3

M

M0

 

 

1)條件標志位

N(Negative)、Z(Zero)、C(Carry)及V(oVerflow)統稱(chēng)為條件標志位。大部分的ARM指令可以依據CPSR中的這些標志位來(lái)選擇性地執行。各條件標志位的具體含義,如表1-4所示。

表 CPSR標志位含義

標志位

含    義

N

本位設置成當前指令運算結果的bit[31]的值

當兩個(gè)補碼表示的有符號整數運算時(shí),N=1表示運算的結果為負數,N=0 表示結果為正數或零

Z

Z=1表示運算結果是0,Z=0表示運算結果不是零

對于CMP指令,Z=1表示進(jìn)行比較的兩個(gè)數大小相等

C

在加法指令中(包括比較指令CMN),結果產(chǎn)生進(jìn)位了,則C=1,表示無(wú)符號數運算發(fā)生上溢出,其他情況下C=0

在減法指令中(包括比較指令CMP),結果產(chǎn)生借位了,則C=0,表示無(wú)符號數運算發(fā)生下溢出,其他情況下C=1

對于包含移位操作的非加/減法運算指令,C中包含最后一次被溢出的位的數值,對于其他非加/減法運算指令,C位的值通常不受影響

V

對于加/減法運算指令,當操作數和運算結果為二進(jìn)制的補碼表示的帶符號數時(shí),V=1表示符號位溢出

其他的指令通常不影響V位

2)Q標志位

在A(yíng)RM v5的E系列處理器中,CPSR的bit[27]稱(chēng)為Q標志位,主要用于指示增強的DSP指令是否發(fā)生了溢出,同樣的,SPSR的bit[27]也稱(chēng)為Q標志位,用于在異常中斷發(fā)生時(shí)保存和恢復CPSR中的Q標志位。

3)CPSR中的控制位

CPSR的低8位I、F、T及M[4:0]統稱(chēng)為控制位,當異常中斷發(fā)生時(shí)這些位發(fā)生變化。在特權級的處理器模式下,軟件可以修改這些控制位。

① I中斷禁止位

當I=1時(shí)禁止IRQ中斷。

當F=1時(shí)禁止FIQ中斷。

通常一旦進(jìn)入中斷服務(wù)程序可以通過(guò)置位I和F來(lái)禁止中斷,但是在本中斷服務(wù)程序退出前必須恢復原來(lái)I、F位的值。

② T控制位,用來(lái)控制指令執行的狀態(tài),即說(shuō)明本指令是ARM指令還是Thumb指令。對于不同版本的ARM處理器,T控制位的含義是有些不同的。

對于A(yíng)RM v3及更低的版本和ARM v4的非T系列版本的處理器,沒(méi)有ARM和Thumb指令的切換,所以T始終為0。

對于A(yíng)RM v4及更高版本的T系列處理器,T控制位含義如下。

當T=0,表示執行ARM指令。

當T=1,表示執行Thumb指令。

對于A(yíng)RM v5及更高的版本的非T系列處理器,T控制位的含義如下。

當T=0表示執行ARM指令。

當T=1表示強制下一條執行的指令產(chǎn)生為定義指令中斷。

③ M 控制位

控制位M[4:0]稱(chēng)為處理器模式標識位,具體說(shuō)明如表1-5所示。

1?5 CPSR 處理器模式位

M[4:0]

處理器模式

可訪(fǎng)問(wèn)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)

 

④CPSR的其他位用于將來(lái)ARM版本的擴展,程序可以先不操作這些位。 

ARM處理器含有37個(gè)寄存器,這些寄存器包括以下兩類(lèi)寄存器。

(1)31個(gè)通用寄存器:包括程序計數器PC等,這些寄存器都是32位寄存器。

(2)6個(gè)狀態(tài)寄存器:狀態(tài)寄存器也是32位的寄存器,但是只使用了其中的12位。

 

1.通用寄存器
在A(yíng)RM處理器的7種模式下都有一組對應的寄存器組。在任意時(shí)刻,可見(jiàn)的寄存器組包括15個(gè)通用寄存器R0~R14、一個(gè)或兩個(gè)狀態(tài)寄存器和PC。在所有的寄存器中,有些是各種模式下共用的同一個(gè)物理寄存器,有些是各種模式自己獨立擁有的物理寄存器。詳細如表1-3所示。

表1-3 ARM物理寄存器

用戶(hù)模式

系統模式

特權模式

中止模式

未定義指令模

外部中斷模

快速中斷模

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

R7

R7

R7

R7

R7

R7

R7

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_irq

R13_fiq

R14

R14

R14_svc

R14_abt

R14_und

R14_irq

R14_fiq

PC

PC

PC

PC

PC

PC

PC

CPSR

CPSR

CPSR

CPSR

CPSR

CPSR

CPSR

 

 

SPSR_svc

SPSR_abt

SPSR_und

SPSR_irq

SPSR_fiq

 

通用寄存器通常又可以分為下面3類(lèi)。

未備份寄存器:包括R0~R7。

備份寄存器:包括R8~R14。

程序計數器PC:即R15。

1)未備份寄存器R0~R7

對于每個(gè)未備份寄存器來(lái)說(shuō),在所有的處理器模式下指的都是同一個(gè)物理寄存器,在異常中斷造成處理器模式切換時(shí),由于不同的處理器模式使用相同的物理寄存器,可能造成寄存器中數據被破壞。未備份寄存器沒(méi)有被系統用于特別的用途,任何可采用通用寄存器的應用場(chǎng)合都可以使用未備份寄存器。

2)備份寄存器R8~R14

備份寄存器中的每個(gè)寄存器對應于兩個(gè)不同的物理寄存器。例如,當使用快速中斷模式下的寄存器時(shí),寄存器R8和寄存器R9分別記做R8_fiq和 R9_fiq,當使用用戶(hù)模式下的寄存器時(shí),寄存器R8和寄存器R9分別記做R8_usr和R9_usr等。在這兩種情況下使用的是不同的物理寄存器,系統沒(méi)有將這幾個(gè)寄存器用于任何的特殊用途。中斷處理非常簡(jiǎn)單,僅僅使用R8~R14寄存器時(shí),FIQ處理程序可以不必執行保存和恢復中斷現場(chǎng)的指令,從而可以使中斷處理過(guò)程很迅速。

對于備份寄存器R13、R14來(lái)說(shuō),每個(gè)寄存器對應于6個(gè)不同的物理寄存器,其中的一個(gè)是用戶(hù)模式和系統模式共用的,另外的5個(gè)則對應于其他5種處理器模式,采用下面的方法來(lái)標識。

R13_<mode>,

其中<mode>是usr、svc、abt、und、irq和fiq的一種。

R13通常用做堆棧指針。每一種模式都擁有自己的物理R13。程序初始化R13,使其指向該模式專(zhuān)用的棧地址。當進(jìn)入該模式時(shí),可以將需要使用的寄存器保存在R13所指的棧中,當退出該模式時(shí),將保存在R13所指的棧中的寄存器值彈出。這樣就實(shí)現了程序的現場(chǎng)保護。

寄存器R14又被稱(chēng)為連接寄存器(LR),在A(yíng)RM中有下面兩種特殊用途。

① 每一種處理器模式在自己的物理R14中存放當前子程序的返回地址。當通過(guò)BL或者BLX指令調用子程序時(shí),R14被設置成該子程序的返回地址。在子程序中,當把R14的值復制到程序計數器PC中時(shí),就實(shí)現了子程序返回。

可以通過(guò)下面兩種方式實(shí)現這種子程序的返回操作。

◆執行下面任何一條指令

MOV      pc, LR

BX          LR

◆在子程序入口使用下面指令將PC保存到棧中:

STMFD  SP!, {registers}, LR}

相應地,下面的指令可以實(shí)現子程序的返回:

LDMFD  SP!, { registers}, LR }

② 當發(fā)生異常中斷的時(shí)候,該模式下的特定物理R14被設置成該異常模式將要返回的地址。對于某些異常,R14的值可能與將返回的地址有一個(gè)常數的偏移量。具體的返回方式與上面的子程序返回方式基本相同。

3)程序計數器PC→R15

程序計數器R15又被記作PC。它雖然可以作為一般的通用寄存器使用,但是有一些指令在使用R15時(shí)有一些特殊限制。當違反了這些限制時(shí),該指令執行的結果將是不可預料的。

由于A(yíng)RM采用了流水線(xiàn)機制,當正確讀取了PC的值時(shí),該值為當前指令地址值加8個(gè)字節。也就是說(shuō),對于A(yíng)RM指令集來(lái)說(shuō),PC指向當前指令的下兩條指令的地址。由于A(yíng)RM指令是字對齊的,PC值的第0位和第1位總為0。
需要注意的是,當使用指令STR/STM保存R15時(shí),保存的可能是當前指令地址值加8字節,也可能保存的是當前指令地址加12字節。到底是哪種方式,取決于芯片具體設計方式。無(wú)論如何,在同一芯片中,要么采用當前指令地址加8,要么采用當前指令地址加12,不能有些指令采用當前指令地址加8,另一些指令采用當前指令地址加12。因此對于用戶(hù)來(lái)說(shuō),盡量避免使用STR/STM指令來(lái)保存R15的值。當不可避免這種使用方式時(shí),可以先通過(guò)一些代碼來(lái)確定所用的芯片使用的是哪種實(shí)現方式。

假設R0指向可用的一個(gè)內存字,下面代碼可以在R0指向的內存字中返回該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]               ;將PC=STR地址+offset保存到R0中

LDR       R0, [R0]                ;

SUB        R0, R0, R1            ;offset=PC-STR地址


2.程序狀態(tài)寄存器
CPSR(當前程序狀態(tài)寄存器)可以在任何處理器模式下被訪(fǎng)問(wèn)。每一種模式下都有一個(gè)專(zhuān)用的物理狀態(tài)寄存器,稱(chēng)為SPSR(備份程序狀態(tài)寄存器)。當特定的異常中斷發(fā)生時(shí),這個(gè)寄存器用于存放當前程序狀態(tài)寄存器的內容。在異常退出時(shí),可以用 SPSR中保存的值來(lái)恢復CPSR。CPSR的具體格式如下。

31

30

29

28

27

26

7

6

5

4

3

21

0

N

Z

C

V

Q

DNMLRAZ

I

F

I

M4

M3

M

M0

 

 

1)條件標志位

N(Negative)、Z(Zero)、C(Carry)及V(oVerflow)統稱(chēng)為條件標志位。大部分的ARM指令可以依據CPSR中的這些標志位來(lái)選擇性地執行。各條件標志位的具體含義,如表1-4所示。

表 CPSR標志位含義

標志位

含    義

N

本位設置成當前指令運算結果的bit[31]的值

當兩個(gè)補碼表示的有符號整數運算時(shí),N=1表示運算的結果為負數,N=0 表示結果為正數或零

Z

Z=1表示運算結果是0,Z=0表示運算結果不是零

對于CMP指令,Z=1表示進(jìn)行比較的兩個(gè)數大小相等

C

在加法指令中(包括比較指令CMN),結果產(chǎn)生進(jìn)位了,則C=1,表示無(wú)符號數運算發(fā)生上溢出,其他情況下C=0

在減法指令中(包括比較指令CMP),結果產(chǎn)生借位了,則C=0,表示無(wú)符號數運算發(fā)生下溢出,其他情況下C=1

對于包含移位操作的非加/減法運算指令,C中包含最后一次被溢出的位的數值,對于其他非加/減法運算指令,C位的值通常不受影響

V

對于加/減法運算指令,當操作數和運算結果為二進(jìn)制的補碼表示的帶符號數時(shí),V=1表示符號位溢出

其他的指令通常不影響V位

2)Q標志位

在A(yíng)RM v5的E系列處理器中,CPSR的bit[27]稱(chēng)為Q標志位,主要用于指示增強的DSP指令是否發(fā)生了溢出,同樣的,SPSR的bit[27]也稱(chēng)為Q標志位,用于在異常中斷發(fā)生時(shí)保存和恢復CPSR中的Q標志位。

3)CPSR中的控制位

CPSR的低8位I、F、T及M[4:0]統稱(chēng)為控制位,當異常中斷發(fā)生時(shí)這些位發(fā)生變化。在特權級的處理器模式下,軟件可以修改這些控制位。

① I中斷禁止位

當I=1時(shí)禁止IRQ中斷。

當F=1時(shí)禁止FIQ中斷。

通常一旦進(jìn)入中斷服務(wù)程序可以通過(guò)置位I和F來(lái)禁止中斷,但是在本中斷服務(wù)程序退出前必須恢復原來(lái)I、F位的值。

② T控制位,用來(lái)控制指令執行的狀態(tài),即說(shuō)明本指令是ARM指令還是Thumb指令。對于不同版本的ARM處理器,T控制位的含義是有些不同的。

對于A(yíng)RM v3及更低的版本和ARM v4的非T系列版本的處理器,沒(méi)有ARM和Thumb指令的切換,所以T始終為0。

對于A(yíng)RM v4及更高版本的T系列處理器,T控制位含義如下。

當T=0,表示執行ARM指令。

當T=1,表示執行Thumb指令。

對于A(yíng)RM v5及更高的版本的非T系列處理器,T控制位的含義如下。

當T=0表示執行ARM指令。

當T=1表示強制下一條執行的指令產(chǎn)生為定義指令中斷。

③ M 控制位

控制位M[4:0]稱(chēng)為處理器模式標識位,具體說(shuō)明如表1-5所示。

1?5 CPSR 處理器模式位

M[4:0]

處理器模式

可訪(fǎng)問(wèn)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)

 

④CPSR的其他位用于將來(lái)ARM版本的擴展,程序可以先不操作這些位。 

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