ARM通用寄存器及状态寄存器详解

笔者来聊聊ARM通用寄存器以及状态寄存器的认识与理解。

ARM通用寄存器

对于处理器来说，寄存器可以作为暂存器，存储临时结果，也可以作为输入数据，方便运算，也可以作为一种索引，去访问存储器，其作用各种各样。

CortexM3/M4

CortexM3/M4是比较常用的ARM架构，很多厂商都采用了这样的架构，比如ST公司的stm32，广受大家欢迎，还有NXP的MK60芯片，一直在飞思卡尔比赛中很受欢迎，还有国产兆易创新的GD32，亚特力的AT32，国民技术的N32系列。

其在嵌入式领域非常受欢迎，相对方便上手，功能齐全，满足一般的对MCU的需求。

其寄存器模型如下：

• 通用目的寄存器R0-R7

  ，低组寄存器，32bit，16位thumb以及32位的thumb-2指令均可以访问

• 可以看到R0、R1、R2三个作为参数传递进入。
• 后面R0作为结果传出进行比较。
• 传入参数是数组，为什么不直接传地址（LDR），而是通过DCD指令来传递呢？
• 这是因为LDR取地址的范围有限，LDR Rn，#立即数地址，该地址只是是小范围（4KB?），所以可以看到DCD的地址就在不远处（6A92 - 6D48相差不远），而存储器的地址则在2000000范围，与其地址相差较大，从图二来看 DCD后的地址，其实是通过DCD的地址先寻址，寻址后再作为地址，继续寻址。
• R0-R3一般作为参数传递，如果参数再多，则通过压栈的方式传递
• R0、R1还会作为返回值进行传递，如果是32位则是R0,64位则会用R0-R1

• 通用目的寄存器R8-R12

  ,高组寄存器，32bit，较少的16位thumb指令可以访问，一般是 thumb-2指令访问。

• R11一般用作FP指针，保存栈帧（在加上编译选项时 ，见上篇文章，下文SP、LR同理ARM开发中几个常见的寄存器详解。

• 栈指针R13（SP） 指示当前栈所指位置。

• 链接寄存器R14（LR） 保存程序返回地址。

• 程序计数器R15（PC）

  程序运行的当前位置。

• 下图一PC作为基址地址，然后去访问存储器，0x4079a1c+480 =0x4079c04
• 下图二直接将0x4079c04 作为地址给r0
• 指令对齐半字或者字地址，最低位为0
• 特殊跳转指令，需要将PC 最低位表示Thumb状态，否则会触发异常。
• PC有时候会作为基址寄存器，然后加地址偏移去访问数据

CortexR5

Cortex R系列继承了ARM7架构下的系统模型，有多组工作模式，每个模式都有自己的地址空间（堆栈地址SP)

• CortexR5 属于ARMv7指令集。
• 与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均是独立，切换CPSR 模式之后，SP、LR及SPSR自动切换成相应模式下的寄存器值
• FIQ 之所以被称之快速中断，是因为有独立的R8-R12寄存器，不需要压栈 ，直接使用，
• SPSR是保存上一个模式的CPSR。

ARMv7的一般AR系列的寄存器模型和上述的基本相同，有一些新的扩展，

• 增加了Hyp模式以及Mon模式，分别用于虚拟扩展以及安全扩展，
• Hyp模式下的LR为ELR，记录异常时的返回地址，其他均一致。

CortexA53

• r0-r7 用来做参数传递或者发返回结果。
• r8 间接的结果位置寄存器
• r9-r15 暂存器 保存临时结果
• r16-r17 动态链接（系统并不是所有地址都可以跳转）（链接器内部插入代码）所需要的寄存器
• r18 the Platform ABI专用的寄存器 来保存内部程序状态（为了平台通用性 避免使用）
• r19-r28 被调用者保存的寄存器（相对来说还有调用者保存寄存器 在CortexM3/4就有很好体现）
• r29 FP寄存器，需要加编译选项
• r30 链接寄存器
• SP 栈指针，
• PC 程序寄存器，可以看到程序调用时，函数类型为9个参数，汇编代码x0-x7作为参数传递进去，最后一个参数，压栈进行传递，str x9,[SP] 。还用到了 blr 通过寄存器去进行链接跳转 最后通过b 跳转返回。

状态寄存器

寄存器通常是CPSR（Current Program state register），用来表示当前程序运行的状态、模式、运算结果状态、中断状态等。，比如下面这个CPSR寄存器模型。

标志位域

说明解释：表示程序的运行结果的状态，可以用来跳转，例如：结果是否为0，结果是否有进位，结果是否溢出，结果是否为负数等等。

• 符号有NCVZ，分别是负数（Negative）、进位（Carry）、溢出（Overflow）、为0（Zero）标志。
• 衍生出许多跳转指令，近范围或者函数范围内跳转，比如以下这些指令
• BEQ、BNE 通过判断Z==1，BEQ为相等则跳转，比如CMP X0，X1 BEQ
• BCS、BCC通过判断C==1，BCS为大于等于则跳转，BCC为小于则跳转
• BMI、MBL 通过判断N==1，BMI 为负数则跳转，BPL为整数则跳转
• BVS、BVC 通过判断V==1，溢出则跳转，BVC为非溢出则跳转
• BHI、BLS通过判断C == 1 and Z == 0 意思就是大于则跳转，
• BGE、BLT 通过判断N == 1 and V == 1，或者 N == 0 and V == 0 有符号数大于等于
• BGT、BLE 通过判断Z=0, N == 1 and V == 1 或者 Z=0 N == 0 and V == 0 有符号数大于
• 相关数字运算对标志位的影响。

异常中断控制域

比如常见的DAIF 中断屏蔽位，分别为：

• 处理器状态debug中断 屏蔽位：查看点、断点以及系统单步运行
• 系统错误中断屏蔽位（通常是异步的错误）
• 普通中断屏蔽位
• 快速中断屏蔽位常见的中断控制域如上图所示，
• CortexM3/4 单独存在一个寄存器primask，可以屏蔽中断，只有普通中断，没有快速中断（支持嵌套，所以快速与否感觉关系不大，同时进入中断后，硬件自动压栈相关寄存器，也提高了中断速度），在cpsr中没有中断屏蔽相关，
• CortexR5以及A53系列中均有这样的中断控制域，可以访问临界资源时屏蔽中断，

模式控制域

CPSR的低五位为模式控制位，控制当前CPU为何种模式，设置各种模式则是为了处理异常以及分层管理，低级无法访问特定资源，而特权模式则可以进行资源上的操作。

• 通过写CPSR的低五位，可以控制系统处于何种模式。
• 通过读CPSR的第五位 也可以知道当前处于何种模式，判断程序发生了什么故障。

指令选择域

大小端控制域

执行状态控制域

一些控制系统状态的标志位，比如ARMv8-A系列