ARM寄存器

一、ARM工作状态下的寄存器组织

ARM微处理器共有37个32位寄存器，其中31个为通用寄存器，6个位状态寄存器。但是这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可以访问的，取决ARM处理器的工作状态及具体的运行模式。但在任何时候，通用寄存器R14~R0、程序计数器PC（即R15）、一个状态寄存器都是可访问的。

通用寄存器
通用寄存器包括R0~R15,可以分为3类:
(1)未分组寄存器R0~R7
(2)分组寄存器R8~R14
(3)程序计数器PC(R15)

1.未分组寄存器R0~R7
在所有运行模式下,未分组寄存器都指向同一个物理寄存器,它们未被系统用作特殊的用途.因此在中断或异常处理进行运行模式转换时,由于不同的处理器运行模式均使用相同的物理寄存器,所以可能造成寄存器中数据的破坏.
2.分组寄存器R8~R14
对于分组寄存器,它们每一次所访问的物理寄存器都与当前处理器的运行模式有关.对于R8~R12来说,每个寄存器对应2个不同的物理寄存器,当使用FIQ(快速中断模式)时,访问寄存器R8_fiq~R12_fiq;当使用除FIQ模式以外的其他模式时,访问寄存器R8_usr~R12_usr.
对于R13,R14来说,每个寄存器对应6个不同的物理寄存器,其中一个是用户模式与系统模式共用,另外5个物理寄存器对应其他5种不同的运行模式,并采用以下记号来区分不同的物理寄存器:
R13_
R14_
其中mode可为:usr,fiq,irq,svc,abt,und.
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。
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R14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。
3,程序计数器PC(R15)
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.
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

4，寄存器R16
寄存器R16用作CPSR(CurrentProgram Status Register，当前程序状态寄存器)，CPSR可在任何运行模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位，以及其他一些相关的控制和状态位。
每一种运行模式下又都有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR(Saved Program Status Register，备份的程序状态寄存器)，当异常发生时，SPSR用于保存CPSR的当前值，从异常退出时则可由SPSR来恢复CPSR。
由于用户模式和系统模式不属于异常模式，它们没有SPSR，当在这两种模式下访问SPSR，结果是未知的

二、Thumb工作状态下的寄存器组织
Thumb状态下的寄存器集是ARM状态下寄存器集的一个子集，程序可以直接访问8个通用寄存器（R7～R0）、程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）、连接寄存器（LR）和CPSR。同时，在每一种特权模式下都有一组SP、LR和SPSR。图2.4表明Thumb状态下的寄存器组织。

Thumb状态下的寄存器组织与ARM状态下的寄存器组织的关系：
       ─ Thumb状态下和ARM状态下的R0～R7是相同的。
       ─ Thumb状态下和ARM状态下的CPSR和所有的SPSR是相同的。
       ─ Thumb状态下的SP对应于ARM状态下的R13。
       ─ Thumb状态下的LR对应于ARM状态下的R14。
       ─ Thumb状态下的程序计数器对应于ARM状态下R15
以上的对应关系如图2.5所示：

访问THUMB状态下的高位寄存器（Hi-registers）：
在Thumb状态下，高位寄存器R8～R15并不是标准寄存器集的一部分，但可使用汇编语言程序受限制的访问这些寄存器，将其用作快速的暂存器。使用带特殊变量的MOV指令，数据可以在低位寄存器和高位寄存器之间进行传送；高位寄存器的值可以使用CMP和ADD指令进行比较或加上低位寄存器中的值。

程序状态寄存器
       ARM体系结构包含一个当前程序状态寄存器（CPSR）和五个备份的程序状态寄存器（SPSRs）。备份的程序状态寄存器用来进行异常处理，其功能包括：
      ─ 保存ALU中的当前操作信息
      ─ 控制允许和禁止中断
      ─ 设置处理器的运行模式
程序状态寄存器的每一位的安排如图2.6所示：

条件码标志（Condition Code Flags）
       N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行。
       在ARM状态下，绝大多数的指令都是有条件执行的。
       在Thumb状态下，仅有分支指令是有条件执行的。

  N  Negative        如果结果是负数则置位
  Z  Zero            如果结果是零则置位
  C  Carry           如果发生进位则置位
  O  Overflow        如果发生溢出则置位
  I  IRQ             中断禁用
  F  FIQ             快速中断禁用

  T  工作状态位,1为Thumb;0为ARM

条件码标志位的含义

标志位	含义
N	当用补码表示的带符号数进行运算时，N＝1表示运算的结果为负数；N＝0表示运算的结果是正数或零。
Z	Z＝1表示运算的结果为零；Z＝0表示运算的结果不为零。
C	有4种方法影响C的值： l 加法运算：当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），C＝1,否则C＝0。 l 减法运算（包括比较指令CMP）：当运算时产生了借位（无符号数溢出）时，C＝0,否则C＝1。 l 对于包含移位操作的非加/减运算指令，C为移出值的最后一位。 l 对于其他的非加/减运算指令，C的值通常不改变。
V	有2种方法设置V的值： l 对于加/减法运算指令，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表示符号位溢出。 l 对于其它的非加/减法运算指令，V的值通常不改变。

N即符号位，与最高符号位相同。

C主要判断无符号数的加减法是否存在进位或借位，不过减法的时候有点特殊。

  S1 和 S0 是处理器模式标志:
  
M4   M3   M2   M1   M0   模式
1    0    0    0    0    USR - 用户模式
1    0    0    0    1    FIQ - 快速中断模式
1    0    0    1    0    IRQ - 中断模式
1    0    0    1    1    SVC - 超级用户模式

1    0    1    1    1    ABT - 中止

1    1    0    1    1    und - 未定义

1    1    1    1    1    SYS - 系统模式