ARM基础知识教程二:ARM处理器的寄存器

发布者:码字先生最新更新时间:2016-06-30 来源: eefocus关键字:ARM  基础知识  寄存器 手机看文章 扫描二维码
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在ARM体系中通常有以下3种方式控制程序的执行流程:

在正常执行过程中,每执行一条ARM指令,程序计数器(PC)的值加4个字节;每执行一条Thumb指令,程序计数器寄存器(PC)加2个字节。整个过程是按顺序执行。

跳转指令,程序可以跳转到特定的地址标号处执行,或者跳转到特定的子程序处执行。其中,B指令用于执行跳转操作;BL指令在执行跳转操作同时,保存子程

序的返回地址;BX指令在执行跳转操作同时,根据目标地址为可以将程序切换到Thumb状态;BLX指令执行3个操作,跳转到目标地址处执行,保存子程序的返回

地址,根据目标地址为可以将程序切换到Thumb状态。

当异常中断发生时,系统执行完当前指令后,将跳转到相应的异常中断处理程序处执行。当异常中断处理程序执行完成后,程序返回到发生中断指令的下条指

令处执行。在进入异常中断处理程序时,要保存被中断程序的执行现场,从异常中断处理程序退出时,要恢复被中断程序的执行现场。

  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。

  6个状态寄存器。这些寄存器都是32位寄存器。

ARM处理器共有7种不同的处理器模式,每一种模式中都有一组相应的寄存器组。在任何时刻,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)。在所有的寄存器中,有些是各模式公用一个物理寄存器,有一些寄存器各模式拥有自己独立的物理寄存器。

 

通用寄存器

*8

通用寄存器分为以下三类:备份寄存器、未备份寄存器、程序计数器PC

未备份寄存器

未备份寄存器包括R0-R7。对于每一个未备份寄存器来说,所有处理器模式下都是使用同一个物理寄存器。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场合都可以使用未备份寄存器。

备份寄存器

对于R8-R12备份寄存器来说,每个寄存器对应两个不同的物理寄存器。系统为将备份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非常迅速。

对于R13,R14备份寄存器来说,每个寄存器对应六个不同的物理寄存器,其中的一个是系统模式和用户模式共用的;另外的五个对应于其他的五种处理器模式。采用下面的记号来区分各个物理寄存器:

R13_

其中MODE可以是下面几种模式之一:usr,svc,abt,und,irq,fiq

R13常作为栈指针;R14(LR)常作为子程序的返回地址

lr(r14)的作用问题,这个lr一般来说有两个作用:
1.当使用bl或者blx跳转到子过程的时候,r14保存了返回地址,可以在调用过程结尾恢复。
2.异常中断发生时,这个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。

另外注意pc,在调试的时候显示的是当前指令地址,而用mov lr,pc的时候lr保存的是此指令向后数两条指令的地址,大家可以试一下用mov pc,pc,结果得到的是跳转两条指令,这个原因是由于arm的流水线造成的,预取两条指令的结果.

程序计数器PC

可以作为一般的通用寄存器使用,但有一些指令在使用R15时有一些限制。由于ARM采用了流水线处理器机制,当正确读取了PC的值时,该值为当前指令地址值加上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位和第一位总为0。

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指令来保存R15的值。
当成功的向R15写入一个数值时,程序将跳转到该地址执行。由于ARM指令是字对齐的,写入R15的值应满足bits[1:0]为0b00,具体要求arm个版本有所不同:
对于arm3以及更低的版本,写入R15的地址值bits[1:0]被忽略,即写入r15的地址值将与0xFFFF FFFC做与操作。
对于ARM4以及更高的版本,程序必须保证写入R15的地址值bits[1:0]为0b00,否则将产生不可预知的后果。
对于Thumb指令集来说,指令是班子对齐的,处理器将忽略bit[0]。


程序状态寄存器


CPSR(当前程序状态寄存器)在任何处理器模式下被访问。它包含了条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志以及其他的一些控制和状态位。每一种处理器

模式下都有一个专用的物理状态寄存器,称为SPSR(备份程序状态寄存器)
。当特定的异常中断发生时,这个寄存器用于存放当前程序状态寄存器的内容。在异常中断退出时,可以用SPSR来恢复CPSR。由于用户模式和系统模式不是异常

中断模式,所以他没有SPSR。当用户在用户模式或系统模式访问SPSR,将产生不可预知的后果。
CPSR格式如下所示。SPSR和CPSR格式相同。

31 30 29 28 27 26 7 6 5 4 3 2 1 0
N Z C V Q DNM(RAZ) I F T M4 M3 M2 M1 M0


*条件标志位*
N——本位设置成当前指令运算结果的bit[31]的值。当两个表示的有符号整数运算时,n=1表示运算结果为负数,n=0表示结果为正书或零。

z——z=1表示运算的结果为零;z=0表示运算的结果不为零。对于CMP指令,Z=1表示进行比较的两个数大小相等。

C——下面分四种情况讨论C的设置方法:
在加法指令中(包括比较指令CMP),当结果产生了进位,则C=1,表示无符号运算发生上溢出;其他情况C=0。
在减法指令中(包括减法指令CMP),当运算中发生错位,则C=0,表示无符号运算数发生下溢出;其他情况下C=1。
对于包含移位操作的非加碱运算指令,C中包含最后一次溢出的的位的数值
对于其他非加减运算指令,C位的值通常不受影响
V——对于加减运算指令,当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数时,V=1表示符号为溢出;通常其他指令不影响V位。

*Q标识位*
在ARM V5的E系列处理器中,CPSR的bit[27]称为q标识位,主要用于指示增强的dsp指令是否发生了溢出。同样的spsr的bit[27]位也称为q标识位,用于在异常中

断发生时保存和恢复CPSR中的Q标识位。
在ARM V5以前的版本及ARM V5的非E系列的处理器中,Q标识位没有被定义。


*CPSR中的控制位*

CPSR的低八位I、F、T、M[4:0]统称为控制位。当异常中断发生时这些位发生变化。在特权级的处理器模式下,软件可以修改这些控制位。

中断禁止位:当I=1时禁止IRQ中断,当F=1时禁止FIQ中断

T控制位:T控制位用于控制指令执行的状态,即说明本指令是ARM指令还是Thumb指令。对于ARM V4以更高版本的T系列ARM处理器,T控制位含义如下:
T=0表示执行ARM指令
T=1表示执行Thumb指令
对于ARM V5以及更高版本的非T系列处理器,T控制位的含义如下
T=0表示执行ARM指令
T=1表示强制下一条执行的指令产生未定指令中断

*M控制位*
M控制位控制处理器模式,具体含义如下:

M[4:0] 处理器模式 可访问的寄存器
10000 user pc,r14~r0,CPSR
10001 FIQ PC,R14_FIQ-R8_FIQ,R7~R0,CPSR,SPSR_FIQ
10010 IRQ PC,R14_IRQ-R13_IRQ,R12~R0,CPSR,SPSR_IRQ
10011 SUPERVISOR PC,R14_SVC-R13_SVC,R12~R0,CPSR,SPSR_SVC
10111 ABORT PC,R14_ABT-R13_ABT,R12~R0,CPSR,SPSR_ABT
11011 UNDEFINEED PC,R14_UND-R8_UND,R12~R0,CPSR,SPSR_UND
11111 SYSTEM PC,R14-R0,CPSR(ARM V4以及更高版本)

*CPSR中的其他位*

这些位用于将来扩展。应用软件不要操作这些位。

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