ARM通用寄存器及狀態(tài)寄存器詳解

筆者來(lái)聊聊ARM通用寄存器以及狀態(tài)寄存器的認(rèn)識(shí)與理解。

ARM通用寄存器

對(duì)于處理器來(lái)說(shuō)，寄存器可以作為暫存器，存儲(chǔ)臨時(shí)結(jié)果，也可以作為輸入數(shù)據(jù)，方便運(yùn)算，也可以作為一種索引，去訪問(wèn)存儲(chǔ)器，其作用各種各樣。

CortexM3/M4

CortexM3/M4是比較常用的ARM架構(gòu)，很多廠商都采用了這樣的架構(gòu)，比如ST公司的stm32，廣受大家歡迎，還有NXP的MK60芯片，一直在飛思卡爾比賽中很受歡迎，還有國(guó)產(chǎn)兆易創(chuàng)新的GD32，亞特力的AT32，國(guó)民技術(shù)的N32系列。

其在嵌入式領(lǐng)域非常受歡迎，相對(duì)方便上手，功能齊全，滿足一般的對(duì)MCU的需求。

其寄存器模型如下：

通用目的寄存器R0-R7

，低組寄存器，32bit，16位thumb以及32位的thumb-2指令均可以訪問(wèn)

可以看到R0、R1、R2三個(gè)作為參數(shù)傳遞進(jìn)入。

后面R0作為結(jié)果傳出進(jìn)行比較。

傳入?yún)?shù)是數(shù)組，為什么不直接傳地址（LDR），而是通過(guò)DCD指令來(lái)傳遞呢？

這是因?yàn)長(zhǎng)DR取地址的范圍有限，LDR Rn，#立即數(shù)地址，該地址只是是小范圍（4KB?），所以可以看到DCD的地址就在不遠(yuǎn)處（6A92 - 6D48相差不遠(yuǎn)），而存儲(chǔ)器的地址則在2000000范圍，與其地址相差較大，從圖二來(lái)看 DCD后的地址，其實(shí)是通過(guò)DCD的地址先尋址，尋址后再作為地址，繼續(xù)尋址。

R0-R3一般作為參數(shù)傳遞，如果參數(shù)再多，則通過(guò)壓棧的方式傳遞

R0、R1還會(huì)作為返回值進(jìn)行傳遞，如果是32位則是R0,64位則會(huì)用R0-R1

通用目的寄存器R8-R12

,高組寄存器，32bit，較少的16位thumb指令可以訪問(wèn)，一般是 thumb-2指令訪問(wèn)。

R11一般用作FP指針，保存棧幀（在加上編譯選項(xiàng)時(shí) ，見(jiàn)上篇文章，下文SP、LR同理ARM開(kāi)發(fā)中幾個(gè)常見(jiàn)的寄存器詳解。

棧指針R13（SP） 指示當(dāng)前棧所指位置。

鏈接寄存器R14（LR） 保存程序返回地址。

程序計(jì)數(shù)器R15（PC）

程序運(yùn)行的當(dāng)前位置。

下圖一PC作為基址地址，然后去訪問(wèn)存儲(chǔ)器，0x4079a1c+480 =0x4079c04

下圖二直接將0x4079c04 作為地址給r0

指令對(duì)齊半字或者字地址，最低位為0

特殊跳轉(zhuǎn)指令，需要將PC 最低位表示Thumb狀態(tài)，否則會(huì)觸發(fā)異常。

PC有時(shí)候會(huì)作為基址寄存器，然后加地址偏移去訪問(wèn)數(shù)據(jù)

CortexR5

Cortex R系列繼承了ARM7架構(gòu)下的系統(tǒng)模型，有多組工作模式，每個(gè)模式都有自己的地址空間（堆棧地址SP)

CortexR5 屬于ARMv7指令集。

與CortexM3/4一致，其R0-R7 以及R8-R12的作用

user模式和sys模式共用一套寄存器，即共享

user/sys、FIQ、SVC、ABT、IRQ以及UND模式 下，LR、SP、SPSR均是獨(dú)立，切換CPSR 模式之后，SP、LR及SPSR自動(dòng)切換成相應(yīng)模式下的寄存器值

FIQ 之所以被稱之快速中斷，是因?yàn)橛歇?dú)立的R8-R12寄存器，不需要壓棧 ，直接使用，

SPSR是保存上一個(gè)模式的CPSR。

ARMv7的一般AR系列的寄存器模型和上述的基本相同，有一些新的擴(kuò)展，

增加了Hyp模式以及Mon模式，分別用于虛擬擴(kuò)展以及安全擴(kuò)展，

Hyp模式下的LR為ELR，記錄異常時(shí)的返回地址，其他均一致。

CortexA53

r0-r7 用來(lái)做參數(shù)傳遞或者發(fā)返回結(jié)果。

r8 間接的結(jié)果位置寄存器

r9-r15 暫存器 保存臨時(shí)結(jié)果

r16-r17 動(dòng)態(tài)鏈接（系統(tǒng)并不是所有地址都可以跳轉(zhuǎn)）（鏈接器內(nèi)部插入代碼）所需要的寄存器

r18 the Platform ABI專用的寄存器 來(lái)保存內(nèi)部程序狀態(tài)（為了平臺(tái)通用性 避免使用）

r19-r28 被調(diào)用者保存的寄存器（相對(duì)來(lái)說(shuō)還有調(diào)用者保存寄存器 在CortexM3/4就有很好體現(xiàn)）

r29 FP寄存器，需要加編譯選項(xiàng)

r30 鏈接寄存器

SP 棧指針，

PC 程序寄存器，可以看到程序調(diào)用時(shí)，函數(shù)類(lèi)型為9個(gè)參數(shù)，匯編代碼x0-x7作為參數(shù)傳遞進(jìn)去，最后一個(gè)參數(shù)，壓棧進(jìn)行傳遞，str x9,[SP] 。還用到了 blr 通過(guò)寄存器去進(jìn)行鏈接跳轉(zhuǎn) 最后通過(guò)b 跳轉(zhuǎn)返回。

狀態(tài)寄存器

寄存器通常是CPSR（Current Program state register），用來(lái)表示當(dāng)前程序運(yùn)行的狀態(tài)、模式、運(yùn)算結(jié)果狀態(tài)、中斷狀態(tài)等。，比如下面這個(gè)CPSR寄存器模型。

標(biāo)志位域

說(shuō)明解釋：表示程序的運(yùn)行結(jié)果的狀態(tài)，可以用來(lái)跳轉(zhuǎn)，例如：結(jié)果是否為0，結(jié)果是否有進(jìn)位，結(jié)果是否溢出，結(jié)果是否為負(fù)數(shù)等等。

符號(hào)有NCVZ，分別是負(fù)數(shù)（Negative）、進(jìn)位（Carry）、溢出（Overflow）、為0（Zero）標(biāo)志。

衍生出許多跳轉(zhuǎn)指令，近范圍或者函數(shù)范圍內(nèi)跳轉(zhuǎn)，比如以下這些指令

BEQ、BNE 通過(guò)判斷Z==1，BEQ為相等則跳轉(zhuǎn)，比如CMP X0，X1 BEQ

BCS、BCC通過(guò)判斷C==1，BCS為大于等于則跳轉(zhuǎn)，BCC為小于則跳轉(zhuǎn)

BMI、MBL 通過(guò)判斷N==1，BMI 為負(fù)數(shù)則跳轉(zhuǎn)，BPL為整數(shù)則跳轉(zhuǎn)

BVS、BVC 通過(guò)判斷V==1，溢出則跳轉(zhuǎn)，BVC為非溢出則跳轉(zhuǎn)

BHI、BLS通過(guò)判斷C == 1 and Z == 0 意思就是大于則跳轉(zhuǎn)，

BGE、BLT 通過(guò)判斷N == 1 and V == 1，或者 N == 0 and V == 0 有符號(hào)數(shù)大于等于

BGT、BLE 通過(guò)判斷Z=0, N == 1 and V == 1 或者 Z=0 N == 0 and V == 0 有符號(hào)數(shù)大于

相關(guān)數(shù)字運(yùn)算對(duì)標(biāo)志位的影響。

異常中斷控制域

比如常見(jiàn)的DAIF 中斷屏蔽位，分別為：

處理器狀態(tài)debug中斷 屏蔽位：查看點(diǎn)、斷點(diǎn)以及系統(tǒng)單步運(yùn)行

系統(tǒng)錯(cuò)誤中斷屏蔽位（通常是異步的錯(cuò)誤）

普通中斷屏蔽位

快速中斷屏蔽位常見(jiàn)的中斷控制域如上圖所示，

CortexM3/4 單獨(dú)存在一個(gè)寄存器primask，可以屏蔽中斷，只有普通中斷，沒(méi)有快速中斷（支持嵌套，所以快速與否感覺(jué)關(guān)系不大，同時(shí)進(jìn)入中斷后，硬件自動(dòng)壓棧相關(guān)寄存器，也提高了中斷速度），在cpsr中沒(méi)有中斷屏蔽相關(guān)，

CortexR5以及A53系列中均有這樣的中斷控制域，可以訪問(wèn)臨界資源時(shí)屏蔽中斷，

模式控制域

CPSR的低五位為模式控制位，控制當(dāng)前CPU為何種模式，設(shè)置各種模式則是為了處理異常以及分層管理，低級(jí)無(wú)法訪問(wèn)特定資源，而特權(quán)模式則可以進(jìn)行資源上的操作。

通過(guò)寫(xiě)CPSR的低五位，可以控制系統(tǒng)處于何種模式。

通過(guò)讀CPSR的第五位 也可以知道當(dāng)前處于何種模式，判斷程序發(fā)生了什么故障。

指令選擇域

大小端控制域

執(zhí)行狀態(tài)控制域

一些控制系統(tǒng)狀態(tài)的標(biāo)志位，比如ARMv8-A系列

審核編輯：湯梓紅