ARM 架构--通用寄存器/状态寄存器/控制寄存器/特殊用途寄存器

一 ARM 架构中的寄存器

ARM 架构中的寄存器

在 ARM 架构中，寄存器是 CPU 内部用于存储数据、地址和状态信息的关键组件。ARM 架构定义了一系列的寄存器，包括通用寄存器、状态寄存器、程序计数器等。下面是对 ARM 架构中主要寄存器的介绍：

通用寄存器

通用寄存器是一组用于存储数据和地址的寄存器。在 ARM 架构的不同版本中，这些寄存器的数量和命名有所不同。

• R0-R15 (R0-R14 + PC):- 在 ARMv7 和之前的版本中，有 16 个通用寄存器，编号从 R0 到 R15。- R0 到 R14 用于存储数据和地址。- R15 通常被称为程序计数器（PC），用于存储下一条指令的地址。
• X0-X30 (X0-X29 + SP):- 在 ARMv8 和之后的版本中，有 31 个通用寄存器，编号从 X0 到 X30。- X0 到 X29 用于存储数据和地址。- X30 通常被称为链接寄存器（LR），用于保存返回地址。- X31 通常被称为堆栈指针（SP），用于管理堆栈。

状态寄存器

状态寄存器用于存储 CPU 的状态信息，例如标志位、中断使能状态等。

• Program Status Register (PSR): - PSR 是 ARM 架构中的一个重要的状态寄存器，包含了多个子寄存器，用于存储 CPU 的状态信息。- PSR 包括： - Application Program Status Register (APSR): 用于存储条件码标志位（如 N、Z、C、V 等）。- Implementation-defined Program Status Register (IPSR): 用于指示当前正在处理的中断。- Program Status Register (EPSR): 用于存储控制位，如中断使能位。

控制寄存器

控制寄存器用于控制 CPU 的行为，如中断控制、调试控制等。

• Control Register (CTRL): - 用于控制某些 CPU 特性，如是否启用调试模式等。
• Auxiliary Control Register (ACTLR): - 用于控制辅助特性，如性能监控单元（PMU）等。

特殊用途寄存器

除了通用寄存器和状态寄存器之外，ARM 架构还包括一些特殊用途的寄存器。

• Stack Pointer (SP): - 用于管理堆栈，通常映射到通用寄存器 X31/R13。
• Link Register (LR): - 用于保存返回地址，通常映射到通用寄存器 X30/R14。
• Program Counter (PC): - 用于存储下一条指令的地址，通常映射到通用寄存器 X15/R15。
• System Register (SYSREG): - 用于控制和监视 CPU 的各种特性和状态，如中断控制、缓存控制等。

总结

• 通用寄存器:- 用于存储数据、地址等。- 在 ARMv7 和之前版本中，编号为 R0 到 R15。- 在 ARMv8 和之后版本中，编号为 X0 到 X30。- R15/X15 通常称为程序计数器（PC）。- X30 通常称为链接寄存器（LR）。- X31/R13 通常称为堆栈指针（SP）。
• 状态寄存器:- 用于存储 CPU 的状态信息，如条件码标志位等。- 包括 APSR、IPSR 和 EPSR。
• 控制寄存器:- 用于控制 CPU 的行为，如 CTRL 和 ACTLR。
• 特殊用途寄存器:- 包括 SP、LR、PC 和 SYSREG。

这些寄存器构成了 ARM 架构的核心组成部分，对于理解和编写 ARM 架构的汇编语言程序非常重要。

二 通用寄存器

ARM 架构中的通用寄存器

在 ARM 架构中，通用寄存器是一组用于存储数据、地址和其他信息的寄存器。ARM 架构的不同版本中，通用寄存器的数量和命名有所不同。以下是 ARMv7 和 ARMv8 架构中通用寄存器的详细介绍及实例。

ARMv7 架构

在 ARMv7 架构中，有 16 个通用寄存器，编号从 R0 到 R15。这些寄存器主要用于存储数据、地址以及程序计数器等。

• R0-R14:- 这些寄存器可以用于存储数据、地址等。- 它们在函数调用和数据处理中非常有用。- R0 到 R3 通常用于函数调用中的参数传递。- R4 到 R11 通常用于局部变量或函数内部使用的寄存器。- R12 通常用作临时寄存器或用于保存跨函数调用的数据。- R13 通常称为堆栈指针（SP），用于管理堆栈。- R14 通常称为链接寄存器（LR），用于保存返回地址。
• R15 (PC):- R15 通常称为程序计数器（PC），用于存储下一条指令的地址。

ARMv8 架构

在 ARMv8 架构中，通用寄存器的数量增加到了 31 个，编号从 X0 到 X30。此外，还引入了 32 位和 64 位寄存器的区分，分别称为 X 寄存器和 W 寄存器。

• X0-X29:- 这些寄存器可以用于存储数据、地址等。- 它们在函数调用和数据处理中非常有用。- X0 到 X3 通常用于函数调用中的参数传递。- X4 到 X29 通常用于局部变量或函数内部使用的寄存器。- X30 通常称为链接寄存器（LR），用于保存返回地址。- X31 通常称为堆栈指针（SP），用于管理堆栈。
• W0-W29:- 这些寄存器是 X0 到 X29 的低 32 位版本，用于兼容 32 位应用。

实例

ARMv7 架构

asm

深色版本

1// ARMv7 架构示例
2// 假设 a1 寄存器中存储了一个地址，该地址指向一个整数
3// 我们将从该地址读取整数，并将其存储到 a0 寄存器中
4
5LDR R0, [R1]    @ 从 a1 指向的地址读取整数到 a0

ARMv8 架构

asm

深色版本

1// ARMv8 架构示例
2// 假设 x1 寄存器中存储了一个地址，该地址指向一个整数
3// 我们将从该地址读取整数，并将其存储到 x0 寄存器中
4
5LDR X0, [X1]    @ 从 x1 指向的地址读取整数到 x0

三 状态寄存器

ARM 架构中的状态寄存器

在 ARM 架构中，状态寄存器用于存储 CPU 的状态信息，如条件码标志位、中断使能状态等。这些寄存器对于控制 CPU 的行为非常重要。以下是 ARM 架构中主要的状态寄存器及其详细介绍：

状态寄存器

• Program Status Register (PSR): - PSR 是 ARM 架构中的一个重要的状态寄存器，包含了多个子寄存器，用于存储 CPU 的状态信息。- PSR 包括： - Application Program Status Register (APSR): 用于存储条件码标志位（如 N、Z、C、V 等）。- Implementation-defined Program Status Register (IPSR): 用于指示当前正在处理的中断。- Program Status Register (EPSR): 用于存储控制位，如中断使能位。

详细说明

• Application Program Status Register (APSR):- APSR 用于存储条件码标志位，这些标志位用于条件分支指令和算术运算指令。- APSR 中的主要标志位包括： - N (Negative): 如果最近的算术运算结果的最高位为 1，则置位。- Z (Zero): 如果最近的算术运算结果为 0，则置位。- C (Carry): 如果最近的算术运算产生了进位，则置位。- V (Overflow): 如果最近的算术运算产生了溢出，则置位。
• Implementation-defined Program Status Register (IPSR):- IPSR 用于指示当前正在处理的中断。- 当 CPU 正在处理中断时，IPSR 中包含了中断的编号。- 当没有正在处理的中断时，IPSR 的值为 0。
• Program Status Register (EPSR):- EPSR 用于存储控制位，如中断使能位。- EPSR 中的主要位包括： - I (Interrupt Disable): 如果置位，则禁用所有中断。- F (Fast Interrupt Disable): 如果置位，则禁用快速中断。

实例

ARMv7 架构

asm

深色版本

1// ARMv7 架构示例
2// 假设需要判断一个算术运算的结果是否为零
3
4// 执行一个算术运算，比如将 R0 和 R1 相加
5ADD R0, R0, R1
6
7// 判断 R0 是否为零
8// 如果 Z 标志位被置位，则 R0 为零
9// 如果 Z 标志位未被置位，则 R0 不为零
10CMP R0, #0
11BEQ .zero  ; 如果 Z 标志位被置位，则跳转到 .zero 标签
12
13// R0 不为零
14B .not_zero
15
16.zero:
17// R0 为零的情况
18...
19
20.not_zero:
21// R0 不为零的情况
22...

ARMv8 枩构

asm

深色版本

1// ARMv8 构架示例
2// 假设需要判断一个算术运算的结果是否为零
3
4// 执行一个算术运算，比如将 X0 和 X1 相加
5ADD X0, X0, X1
6
7// 判断 X0 是否为零
8// 如果 Z 标志位被置位，则 X0 为零
9// 如果 Z 标志位未被置位，则 X0 不为零
10CMP X0, #0
11BEQ .zero  ; 如果 Z 标志位被置位，则跳转到 .zero 标签
12
13// X0 不为零
14B .not_zero
15
16.zero:
17// X0 为零的情况
18...
19
20.not_zero:
21// X0 不为零的情况
22...

四 特殊用途寄存器

ARM 架构下的特殊用途寄存器

在 ARM 架构中，有一些特殊用途的寄存器，如堆栈指针（SP）、链接寄存器（LR）、程序计数器（PC）以及系统寄存器（SYSREG）。这些寄存器对于控制和管理 CPU 的行为至关重要。下面是这些寄存器的详细介绍及使用实例：

堆栈指针 (SP)

• 用途:- SP 用于指示当前堆栈的顶部位置。- 在函数调用期间，参数、局部变量以及返回地址都会被压入堆栈。- SP 的值会随着堆栈操作的变化而更新。
• 实例:

asm

深色版本

1// ARMv7 架构示例
2// 假设需要保存当前堆栈指针的值
3// 然后修改 SP，最后恢复 SP 的值
4
5// 保存当前堆栈指针的值到 R1
6MOV R1, SP
7
8// 修改 SP，例如向下移动 4 个字节
9SUB SP, SP, #4
10
11// 执行一些操作
12...
13
14// 恢复 SP 的原始值
15MOV SP, R1

链接寄存器 (LR)

• 用途:- LR 通常用于保存函数调用的返回地址。- 在函数调用期间，返回地址会被自动保存到 LR。- 当函数返回时，通常通过 LR 来恢复程序执行的流程。
• 实例:

asm

深色版本

1// ARMv7 架构示例
2// 假设需要调用一个函数并返回
3
4// 保存 LR 到 R1
5STR LR, [R1]
6
7// 调用函数
8BL my_function
9
10// 返回后，从 R1 恢复 LR 的值
11LDR LR, [R1]

程序计数器 (PC)

• 用途:- PC 用于存储下一条指令的地址。- 在正常执行过程中，每条指令执行完毕后，PC 会自动更新到下一条指令的地址。- 条件分支指令和函数调用也会修改 PC 的值。
• 实例:

asm

深色版本

1// ARMv7 架构示例
2// 假设需要跳转到一个特定的地址
3
4// 将目标地址加载到 R1
5LDR R1, =target_address
6
7// 将 R1 的值复制到 PC
8MOV PC, R1

系统寄存器 (SYSREG)

• 用途:- SYSREG 用于控制和监视 CPU 的各种特性。- 这些寄存器可以用于控制中断、缓存、调试等功能。- 例如，控制中断使能的寄存器是 CTR_ELx，控制缓存的寄存器是 DC_CSW_ELx。
• 实例:

asm

深色版本

1// ARMv8 构架示例
2// 假设需要禁用中断
3
4// 禁用中断
5MSR DAIFClr, #0x10  ; 设置 I 位为 1，禁用中断
6
7// 执行一些不受中断影响的操作
8...
9
10// 恢复中断
11MSR DAIFClr, #0x00  ; 清除 I 位，恢复中断