ARM匯編學(xué)習(xí)之寄存器

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Author:tiger-john
WebSite:blog.csdn.net/tigerjb
Email：jibo.tiger@gmail.com
Update-Time: 2011年2月14日星期一
Tiger聲明：本人鄙視直接復(fù)制本人文章而不加出處的個(gè)人或團(tuán)體，
但不排斥別人轉(zhuǎn)載tiger-john的文章，只是請您注明出處并和本人
聯(lián)系或留言給我。3Q
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在ARM處理器內(nèi)部共有37個(gè)用戶可訪問的寄存器，分別為
31個(gè)通用的32位寄存器和6個(gè)狀態(tài)寄存器。
一．通用寄存器：
1.在匯編語言中，寄存器R0-R13為保存數(shù)據(jù)或地址值的通用寄存器。
2.其中寄存器R0-R7為未分組的寄存器。
對于任何處理器模式，它們都共享R0~R7的通用寄存器。
3.寄存器R8-R12為兩個(gè)分組的物理寄存器。
a.FIQ擁有自己獨(dú)立的R8~R12的通用寄存器。
b.其他六種處理器模式共享R8~R12的通用寄存器
注：寄存器R8~R12在ARM體系結(jié)構(gòu)中沒有特定的用途。
給FIQ單獨(dú)的R8~R12可實(shí)現(xiàn)快速的中斷處理（在發(fā)生FIQ中斷后，處理器不用為了保護(hù)寄存器而浪費(fèi)時(shí)間，從而提高了FIQ的處理速度）
4.寄存器R13和R14
a.用戶模式和系統(tǒng)模式公用R13和R14的寄存器內(nèi)容。
b.其它五個(gè)模式擁有自己獨(dú)立的R13和r14寄存器內(nèi)容。
c.R13作為堆棧指針(SP)，用于保存待使用的寄存器內(nèi)容。
d.寄存器R14稱為鏈接寄存器(LR),它的作用有兩個(gè)：
l當(dāng)使用BL指令調(diào)用子程序時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將BL指令的下一條指令的地址存入R14中。

Ø程序A指令過程中調(diào)用程序B
Ø程序跳轉(zhuǎn)至標(biāo)號(hào)Lable處，執(zhí)行程序B.
Ø系統(tǒng)將BL Lable指令的下一條指令所在地址存入R14中
Ø程序B執(zhí)行最后，執(zhí)行語句MOV PC,LR將R14寄存器的內(nèi)容放入PC處，返回至NEXT處繼續(xù)執(zhí)行。



l當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將異常的返回地址放入R14中（有些異常有一個(gè)小的固定的偏移量）二．重要的寄存器
1.堆棧指針R13
R13作為堆棧指針SP。在ARM指令集中，由于沒有以特殊方式使用R13的指令。（在Thumb）指令集中存在使用R13的指令）
每個(gè)異常模式都有其自身的R13分組版本，它通常指向由異常模式所專用的堆棧。在入口處，異常處理程序通常將其他要使用的寄存器值保存到這個(gè)堆棧。通過返回時(shí)將這些值重裝到寄存器中。異常處理程序可確保異常發(fā)生時(shí)的程序狀態(tài)不會(huì)被破壞。
2.鏈接寄存器R14
寄存器R14(也稱為鏈接寄存器或LR)在結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)特殊功能：
1>在每種模式下，模式自身的R14用于保存子程序返回地址。
a.當(dāng)使用BL或BLX指令調(diào)用子程序時(shí)，R14設(shè)置為子程序返回地址。
b.子程序返回通過將R14復(fù)制到程序計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。（p41）
2>當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，將R14對應(yīng)的異常模式設(shè)置為返回地址。異常返回的執(zhí)行類似于子程序返回，只是使用稍微不同的指令來確保被異常中斷的程序狀態(tài)能夠完全恢復(fù)。
3.程序計(jì)數(shù)器R15
1>R15里存放的是正在取值的指令。
而人們一般習(xí)慣的約定將“正在執(zhí)行”的指令作為參考點(diǎn)，則：PC=當(dāng)前程序執(zhí)行位置+8

2>七種模式共用R15寄存器。
3>由于ARM指令總是以字節(jié)為單位，所以R15寄存器的最低兩位總是為0。
注：
1.當(dāng)指令對R15的讀取沒有超過任何對R15使用的限制時(shí)，對R15讀取的值是指令的地址加上8字節(jié)。
2.用命令讀取PC的方式主要用于對附近的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速，與位置無關(guān)的尋址，包括程序中與位置無關(guān)的移動(dòng)。
3.但是在使用STR或STM指令保存時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：
A.這些指令可將指令地址加8字節(jié)保存（和其它指令讀取R15一樣）
B.這些指令或?qū)⒅噶钭陨淼刂芳?2字節(jié)。
這與具體的芯片有關(guān)。
由于這個(gè)原因，使用STR和STM指令是不可移植的。
因此，我們要避免使用STR和STM指令來保存R15.
4.使用下面的程序可以看到這個(gè)具體的偏移量。

5.寫R15的一般限制：寫如R15值的bit[1:0]必須為0b00；如果不是，則結(jié)果將不可預(yù)測。
6.大多數(shù)指令通過指令所指的偏移量與PC值相加并將結(jié)果寫入PC來計(jì)算目標(biāo)地址：
(當(dāng)前指令的地址)+8+偏移量。
7.正常連續(xù)執(zhí)行的指令實(shí)際上是通過計(jì)算：
（當(dāng)前指令的地址）+4
來計(jì)算下一條要執(zhí)行的指令。
注：區(qū)別兩個(gè)概念：
1.跳轉(zhuǎn)目標(biāo)的計(jì)算方法：
（當(dāng)前指令的地址）+8+偏移量
2.下一條指令位置的計(jì)算方法：
（當(dāng)前指令的地址）+4
三．當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器
在ARM內(nèi)核中包含1個(gè)CPSR和5個(gè)供異常處理程序使用的SPSR.
先來看圖


1.CPSR(當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器)
1>七中模式共享一個(gè)程序狀態(tài)寄存器。
2>在進(jìn)入異常模式中，另外一個(gè)寄存器程序狀態(tài)保存寄存器SPSR可以被訪問(系統(tǒng)和用戶模式?jīng)]有SPSR寄存器,其它五中模式都有其自己獨(dú)立的SPSR寄存器)。在進(jìn)入異常時(shí)，它保存CPSR的當(dāng)前值；在異常退出時(shí)，可通過它恢復(fù)CPSR.
作用：反映當(dāng)前處理器的狀態(tài)，其包含：
a.4個(gè)條件標(biāo)志位(負(fù)標(biāo)志位N,零標(biāo)志Z,近位標(biāo)志位C和溢出標(biāo)志位V)
b.2個(gè)中斷禁止位，分別用于一種類型的中斷。
c.5個(gè)對當(dāng)前處理器模式進(jìn)行編碼的位
d.1個(gè)用于指示當(dāng)前處理器狀態(tài)的標(biāo)志位（t）
John哥說明：
切記在修改寄存器中的值時(shí)，要采用讀-修該-寫的方式。
（首先讀出目標(biāo)寄存器中的數(shù)據(jù)，再對關(guān)心的比特進(jìn)行修改，之后將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)寫回到目標(biāo)寄存器中。）
這樣做的好處是：
1.不會(huì)改變原來不相關(guān)管腳的功能屬性。
2.不會(huì)影響到寄存器中保留位的數(shù)據(jù)。
eg:PINSEL0 = (PINSEL0 & (~(3<<10)) |( 2<<10);
這時(shí)一種良好的寫法，他實(shí)現(xiàn)了對P0.5端腳的修改（即對PINSEL0寄存器中的11：10位比特位進(jìn)行修改，對于他實(shí)現(xiàn)的功能請查閱數(shù)據(jù)手冊，這里不做解釋）
盡量不要采用直接對寄存器寫的操作，因?yàn)檫@樣可能把寄存器中的所用值都修改了。那么它的后果，我想哥不說你也明白。
2.條件代碼標(biāo)志：
N:當(dāng)該位為1時(shí)：表示負(fù)數(shù)。為0時(shí)：表示正數(shù)。
Z:當(dāng)該位為1時(shí)：表示兩數(shù)相等。為0時(shí)：表示兩數(shù)不相等。
C:當(dāng)該為1時(shí)：若為加法運(yùn)算(含CMN)表示產(chǎn)生進(jìn)位，否則C=0;
當(dāng)該位為1時(shí)：若為減法運(yùn)算(含CMP)表示不借位，否則C=0(即產(chǎn)生借位)
注：對于移位運(yùn)算C為最后的移出值，其他指令C通常不變。
V:當(dāng)該位為1時(shí)：使用加法/減法運(yùn)算時(shí)，表示有符號(hào)溢出。；否則V=0;
注：
在ARM中，所用指令都可按條件來執(zhí)行。
在Thumb中，只有分支指令可條件執(zhí)行。
3.控制位：
CPSR的最低8位為控制位。分別是中斷禁止位，T位，模位。
1>當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，控制位改變。當(dāng)處理器在一個(gè)特權(quán)模式下操作時(shí)，可用軟件操作這些位。
a.中斷標(biāo)志位：
當(dāng)I位為1時(shí)，IRQ中斷被禁止
當(dāng)F位為1時(shí)，F(xiàn)IQ中斷被禁止.
b.T位：
該位反映了處理器狀態(tài)：
當(dāng)T位為1時(shí)，處理器處于Thumb狀態(tài)下運(yùn)行。
當(dāng)T位為0時(shí)，處理器處于ARM狀態(tài)下運(yùn)行。
John哥說明：
絕對不要強(qiáng)制改變CPRS寄存器中的T位，否則處理器會(huì)進(jìn)入一個(gè)無法預(yù)測的狀態(tài)，那么你也就杯具了。
2>模式為
M4,M3,M2,M1和M0位都是模式位。這些位決定處理器的操作模式（不是所用模式位的組合都定義有有效的處理器模式，因此注意不要使用表中未列出的組合。
看個(gè)圖：



Tiger說明：
1.切記不可把非法的值寫入模式位，否則處理器將進(jìn)入一個(gè)無法恢復(fù)的模式。如果你這樣做了，tiger恭喜你杯具了。那么你現(xiàn)在要做的就是按下開發(fā)板的復(fù)位鍵，嚴(yán)重的就只能拔掉電源。重新啟動(dòng)了
2.在對CPRS寄存器進(jìn)行操作時(shí)，不能操作保留位。
3.每個(gè)異常模式還帶有一個(gè)程序狀態(tài)保存寄存器(SPSR),它用于保存任務(wù)在異常發(fā)生之前的CPSR.
四．Thumb狀態(tài)下的寄存器
1.Thumb狀態(tài)寄存器是ARM狀態(tài)集的子集，它有
l8個(gè)通用寄存器（R0~R7）
l程序計(jì)算器（PC）
l堆棧指針（SP）
l鏈接寄存器（LR）
l當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器（CPSR）
1>七個(gè)模式公用8個(gè)通用寄存器（R0~R8）。
2>SP(堆棧指針寄存器)，對應(yīng)ARM狀態(tài)下的寄存器R13,每個(gè)異常模式都有其自己獨(dú)立的SP，SP指向各異常模式所專用的堆棧。
<在發(fā)生異常時(shí)，處理器會(huì)自動(dòng)進(jìn)入ARM狀態(tài)。>
3>鏈接寄存器(LR)對應(yīng)ARM狀態(tài)寄存器R14.
發(fā)生異常時(shí)，處理器自動(dòng)進(jìn)入ARM狀態(tài)。
4>當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器(CPSR)對應(yīng)ARM狀態(tài)寄存器R14。.
2.Thumb狀態(tài)寄存器和ARM狀態(tài)寄存器之間的映射。
1>Thumb狀態(tài)中的R0~R7與ARM狀態(tài)R0~R7相同。
2>Thumb狀態(tài)中的SP映射到ARM狀態(tài)下的R13中
3>Thumb狀態(tài)中的LR映射到ARM狀態(tài)R14中。
4>Thumb狀態(tài)中的PC映射到ARM狀態(tài)R15(PC)寄存器中。
5>Thumb狀態(tài)CPSR（在Thumb狀態(tài)中無SPSR）與ARM狀態(tài)CPSR相同。


注：在Thumb中，高端寄存器的訪問是受到限制的，只有MOV，CMP和ADD指令可以對其訪問，可以用于數(shù)據(jù)的快速暫存。