寄存器组织

2．3　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个为状态寄存器．但是这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问的，取决于微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、一个或两个状态寄存器都是可访问的．

2．3．1　ARM状态下的寄存器组织

通用寄存器：通用寄存器包括R0～R15，可以分为三类：

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．

在所有的运行模式下，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，可能会造成寄存器中数据的破坏，这一点在进行程序设计时应引起注意．

（2）分组寄存器R8～R14．

对于分组寄存器，他们每一次访问的物理寄存器与处理器当前的运行模式有关．

对于R8～R12来说，每个寄存器对应两个不同的物理寄存器，当使用fiq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．

采用以下的记号来区分不同的物理寄存器：

R13＿＜mode＞

R14＿＜mode＞

其中，mode为以下几种模式之一：usr、fiq、irq、svc、abt、und．

寄存器R13在ARM指令中常用作堆栈指针，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也称作子程序连接寄存器（Subroutine Link Register）或连接寄存器LR．当执行BL子程序调用指令时，R14中得到R15（程序计数器PC）的备份．其他情况下，R14用作通用寄存器．与之类似，当发生中断或异常时，对应的分组寄存器R14＿svc、R14＿irq、R14＿fiq、R14＿abt和R14＿und用来保存R15的返回值．

寄存器R14常用在如下的情况中：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的当前值拷贝给R14，执行完子程序后，又将R14的值拷贝回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！，｛＜Regs＞，LR｝

对应的，使用以下指令可以完成子程序返回：

LDMFD　SP！，｛＜Regs＞，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；虽然可以用作通用寄存器，但是有一些指令在使用R15时有一些特殊限制，若不注意，执行的结果将是不可预料的．在ARM状态下，PC的0和1位是0，在Thumb状态下，PC的0位是0．R15虽然也可用作通用寄存器，但一般不这么使用，因为对R15的使用有一些特殊的限制，当违反了这些限制时，程序的执行结果是未知的．

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．

在ARM状态下，任一时刻可以访问以上所讨论的16个通用寄存器和一到两个状态寄存器．在非用户模式（特权模式）下，则可访问到特定模式分组寄存器，表2－6说明在每一种运行模式下，哪一些寄存器是可以访问的．

（4）寄存器R16．

寄存器R16用作CPSR（Current Program 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，他们没有SPSR，当在这两种模式下访问SPSR，结果是未知的．

表2－6　ARM状态下的寄存器组织

2．3．2　Thumb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．表2－7表明了Thumb状态下的寄存器组织．

表2－7　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：

（1）Thumb状态下和ARM状态下的R0～R7是相同的．

（2）Thumb状态下和ARM状态下的CPSR和所有的SPSR是相同的．

（3）Thumb状态下的SP对应ARM状态下的R13．

（4）Thumb状态下的LR对应ARM状态下的R14．

（5）Thumb状态下的程序计数器对应ARM状态下的R15．

以上的对应关系如图2－2所示：

图2－2　Thumb状态下的寄存器组织

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地访问这些寄存器，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．

2．3．3　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：

（1）保存ALU中的当前操作信息．

（2）控制允许和禁止中断．

（3）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2－3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．

图2－3　程序状态寄存器格式

条件码标志各位的具体含义如表2－8所示：

表2－8　条件码标志的具体含义

控制位：

PSR的低8位（包括I、F、T和M［4∶0］）称为控制位，当发生异常时这些位可以被改变．如果处理器运行特权模式，这些位也可以由程序修改．

中断禁止位I、F：

I＝1：禁止IRQ中断；F＝1：禁止FIQ中断．

标志位T：

该位反映处理器的运行状态．对于ARM体系结构v5及以上的版本的T系列处理器，当该位为1时，程序运行于Thumb状态，否则运行于ARM状态．对于ARM体系结构v5及以上的版本的非T系列处理器，当该位为1时，执行下一条指令以引起为定义的指令异常；当该位为0时，表示运行于ARM状态．

运行模式位M［4∶0］：

M0、M1、M2、M3、M4是模式位．这些位决定了处理器的运行模式．具体含义如表2－9所示：

表2－9　运行模式位M［4∶0］的具体含义

由表2－9可知，并不是所有的运行模式位的组合都是有效的，其他的组合结果会导致处理器进入一个不可恢复的状态．

保留位：

PSR中的其余位为保留位，当改变PSR中的条件码标志位或者控制位时，保留位不要被改变，在程序中也不要使用保留位来存储数据．保留位将用于ARM版本的扩展．