ARM寄存器

news2024/9/22 11:40:19

1.ARM 工作状态 

arm 支持大小端（默认小端 ，大端格式：高字节在低地址，低字节在高地址；小端格式：高字节在高地址，低字节在低地址；）、arm支持16bit thumb指令和32bit arm指令（默认arm指令），thumb2指令是16位与32位共存的。

 2.ARM 工作工作模式

不同 工作模式 下 可访问的寄存器和指令集有差异，长度不一样，或者是功能不一样，主要用于区分运行权限保护系统（由运行异常、中断或者软件主动触发切换模式）
工作模式分类（7种）：

1、用户模式(Usr)：用于正常执行程序;

2、快速中断模式(FIQ)：用于高速数据传输;

3、外部中断模式(IRQ)：用于通常的中断处理;

4、管理模式(svc)：操作系统使用的保护模式;

5、数据访问终止模式(abt)：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储以及存储保护;

6、系统模式(sys)：运行具有特权的操作系统任务;

7、未定义指令中止模式(und)：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件。

注意：不是所有ARM架构的产品都是7种工作模式的

2.1.Arm的工作模式切换有两种方法：

被动切换：在arm运行的时候产生一些异常或者中断来自动进行模式切换

主动切换：通过软件改变，即软件设置寄存器来经行arm的模式切换，应为arm的工作模式都是可以通过相应寄存器的赋值来切换的。

Tips：当处理器运行在用户模式下，某些被保护的系统资源是不能被访问的。

除用户模式外，其余6种工作模式都属于特权模式；

特权模式中除了系统模式以外的其余5种模式称为异常模式；

大多数程序运行于用户模式；

进入特权模式是为了处理中断、异常、或者访问被保护的系统资源；-----保护机制

 

 3.ARM 指令和 THUMB指令的关系：


THUMB 指令是 ARM 指令的子集，可以相互调用，只要遵循一定的调用规则
Thumb 指令 与 ARM 指令 的时间效率和空间效率关系为:
        存储空间约为ARM代码的60％～70％
        指令数比ARM代码多约30％～40％
        存储器为32位时ARM代码比Thumb代码快约40％
        存储器为16位时Thumb比ARM代码快约40～50％
        使用Thumb代码，存储器的功耗会降低约30％

注：当处理器处于Thumb状态时发生异常（如IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI等），则异常处理返回时，自动切换到 Thumb 状态。ARM 处理器总是 从 ARM 工作状态开始执行的。因此，如果要在调试器重运行 Thumb 程序，必须为 该 Thumb 程序添加一个 ARM程序头，然后再切换到Thumb工作状态，调用该 Thumb程序。

3.1.Thumb与ARM状态切换

在实际系统中，内核状态需要经常的切换（Interworkong）来满足系统性能要求。具体的切换是通过 Branch Exchange，即 BX 指令来实现的。指令格式为：

  1. Thumb 工作状态 BX Rn

  2. ARM 工作状态 BX Rn

其中 Rn 可以是寄存器 R0 ~ R15 中的任意一个。指令可以通过将寄存器Rn的内容，拷贝到程序计数器 PC 来完成在 4GB地址空间中的绝对跳转，如果操作数寄存器的状态位 Bit0 = 0，则进入 ARM 工作状态；如果 Bit0 = 1，则进入 Thumb 工作状态。

ARM 处理器在两种工作状态之间可以切换，切换不影响处理器的模式或寄存器的内容。

  • (1) 当操作数寄存器的状态位 ( 位[0] ) 为 1 时，执行 BX 指令进入 Thumb 状态。如果处理器在 Thumb 状态进入异常，则当异常处理 ( IRQ、FIQ、Undef、Abort 和 SWI ) 返回时，自动转换到 Thumb 状态。
  • (2) 当操作数寄存器的状态位 ( 位[0] ) 为 0 时，执行 BX 指令进入ARM状态，处理器进行异常处理 ( IRQ、FIQ、Reset、Undef、Abort 和 SWI )。在此情况下，把PC放入异常模式链接寄存器中。从异常向量地址开始执行也可以进入ARM状态。

 4.寄存器

 

Arm 处理器总共有 37 个寄存器，其可以分为以下 2 类：

  • 1.  通用寄存器（ 31 个）
            1.  不分组寄存器（ R0 — R7 ），共 8 个。
            2.  分组寄存器（ R8 — R14 ）共22个（R8-R12,五个，一共5*2=10，R13-14，两个，一共是2*16=12，总共10+12=22个）
  •         3.  PC 指针（ R15 ）,共1个
  • 2.  程序状态寄存器（ 6个  ）
            1.  CPSR（ 1个 ）    
            2.  SPSR（ 5个 ）

看图就可以算寄存器数量了，要看ARM指令的，不要看Thumb指令的。 

所谓 不分组 就是在七种模式下的任意一种模式都访问同一个物理寄存器地址。就是不分组寄存器没有特权模式，任意一种模式都可以使用未分组寄存器。

 5.ARM 框架 的 寄存器 解析

未分组寄存器：R0 - R7  R15  cpsr，cpu 在任何模式下看到的 这几个寄存器都是一样的。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，他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。分组寄存器 R8 - R14 在不同模式下看到的这几个寄存器是不一样的。

 5.1.寄存器功能说明

  • R0 - R12   存取数据，临时数据
  • R13：sp 用于指向不同模式的栈顶。栈，每种模式都需要开辟一块内存，用于在该模式下 函数调用，临时分配的数据存放在此处。Stack Pointer (SP)，栈指针寄存器，该寄存器始终保存着一个指向栈顶的值，值得注意的地方；
    SP寄存器的Bit[1:0]（最低两位）始终为0，因此这个寄存器是按照字对齐的，也就是四个字节；

    M3有两个堆栈指针，并且同一时刻只能使用其中的一个；
    主堆栈指针（MSP/SP_main）：复位后默认使用的堆栈指针寄存器，用于操作系统内核以及异常处理例程（包括中断服务例程）；
    进程堆栈指针（PSP/SP_process）：由用户的应用程序代码使用。
    寄存器R13通常被用作堆栈指针寄存器，另外究竟使用哪个寄存器，由CPU的控制寄存器来决定；

    Handler mode ：即系统发生异常（中断等）的情况会进入该模式，通常使用SP_main；
    Thread mode：用户程序正常运行时处于该模式，可以选择使用SP_main 或 SP_process；
    CPU的Configuration Control Register，如下图所示；。

  • R14 ： lr 程序跳转的时候，返回到的地址就保存到此处
  • R15 ：pc 要执行的下一条指令地址，就存放在此处，每次指令执行完，就自动+4
  • CPSR：程序状态寄存器。程序执行的时候，有很多临时标记位，结果是0 是否溢出，是否有借位，是否有 进位，当前cpu模式，
  • SPSR：用于模式切换，将切换前的 cpsr 保存到 新的模式的 spsr，模式切换回去的时候，再将spsr的内容还原到cpsr。

 5.1.1寄存器分组说明

1. 未分组寄存器 R0 ~ R7，共 8 个。在所有的运行模式下都使用同一个物理寄存器，它们未被系统用作特殊的用途。

2. 分组寄存器 R8 ~ R12，R13 ~ R14
    R8 ~ R12：（ 总共10个 ）
        每次所访问的物理寄存器与处理器当前的运行模式有关，R8～R12：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。
        其中 FIQ 模式有单独的一组 R8 ~ R12，共5个；（  FIQ ( 快速中断模式 ) 时访问寄存器 R8_fiq ~ R12_fiq ）
        另外 6 种模式共用一组 R8 ~ R12，共5个；（当使用除 FIQ 模式以外的其他模式时，访问寄存器 R8 ~ R12）
                 
    R13 ~ R14：（ 总共12个 ）
        其中 USR 和 SYS 模式（表格的第一列）共用一组 R13 ~ R14 共2个，
        另外 5 种模式下各有独自的一组 R13 ~ R14，并采用以下记号来区分不同的物理寄存器，分别
        为 fiq、irq、svc、abt、und。共10个。（ mode为以下几种之一：usr、fiq、irq、svc、abt、und。 ）              

        i. R13 在 ARM 指令中常用作堆栈指针 SP
            特别注意：由于每一种模式都有自己的 R13，所以我们在自己初始化的时候 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。       
        ii. R14 称为子程序链接寄存器 LR (Link Register)
            有两个特殊功能，

                一种是每一种模式下都可以用于 保存函数的返回地址，
               另外就是异常处理后的返回地址，如中断处理之后的跳转

3. PC 指针（ R15 ）
    R15 用作程序计数器 ( PC )，对应一个物理寄存器，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，可以通过向 pc 赋值，来控制程序跳转。即 PC 的值为当前指令的地址值加8个字节。（这里和我们正常学习的不一样，正常都是PC指向下一条指令，也就是地址值加4字节）。

4. CPSR （1 个 状态寄存器。CPSR 表示：当前程序状态寄存器 ）-----重点

CPSR寄存器是32位寄存器。

  • 0 ~ 7   位 ：  控制
  • 8 ~ 27  位：  保留
  • 28 ~ 31位：  条件标志

 所以我们只要研究控制位和条件位即可。

 

 

5. SPSR （ 5 个 备份状态寄存器 ）

SPSR（备份的程序状态寄存器）

SPSR 除 usr、sys 外，对应用于异常保护的 CPSR 的备份，异常时，保存CPSR值，异常退出时，将该值恢复到CPSR，以保证程序的正常运行，每一中异常运行模式（除usr和sys）有各自的物理寄存器。

5.1.2.寄存器的作用

0 - r3   ： 用作传入函数参数，传出函数返回值。在子程序调用之间，可以将 r0-r3 用于任何用途。被调用函数在返回之前不必恢复 r0-r3。如果调用函数需要再次使用 r0-r3 的内容，则它必须保留这些内容。

r4 - r11  ： 被用来存放函数的局部变量。如果被调用函数使用了这些寄存器，它在返回之前必须恢复这些寄存器的值。

r12      ：是内部调用暂时寄存器 ip。它在过程链接胶合代码（例如，交互操作胶合代码）中用于此角色。 在过程调用之间，可以将它用于任何用途。被调用函数在返回之前不必恢复 r12。

r13    :    是栈指针 sp。它不能用于任何其它用途。sp 中存放的值在退出被调用函数时必须与进入时的值相同。

r14   :     是链接寄存器 lr。如果您保存了返回地址，则可以在调用之间将 r14 用于其它用途，程序返回时要恢复

r15     :   是程序计数器 PC。它不能用于任何其它用途。

注意：在中断程序中，所有的寄存器都必须保护，编译器会自动保护 R4～R11

寄存器编号可选名字ATPCS寄存器用法
R0~R3A1~A4参数寄存器，在调用函数时，用来存放前4个函数参数和返回值，多出的存堆栈中。（易失的）
R4~R8V1~V5通用变量寄存器。（非易失性的）
R9V6 sb通用变量寄存器。在与读/写位置无关的编译情况下，用作基址寄存器。（非易失性的）
R10V7 sl通用变量寄存器。在使用堆栈边界检查的编译情况下，R10保存堆栈边界的地址。（非易失性的）
R11V8 fp通用变量寄存器。在使用结构指针的情况下，必须保存这个寄存器中调用函数的变量值。（非易失性的）
R12Ip通用临时过渡寄存器（易失的）
R13sp堆栈指针，指向满递减堆栈
R14lr链接寄存器，在函数调用时用以保存返回地址
R15pc程序计数器

5.1.3.小结

37个寄存器是指 通用寄存器 和一些 状态寄存器，这是 ARM 架构定义好的寄存器，事实上 ARMv7 已经不止这些寄存器了，37 个 寄存器是 ARMv6 以前的架构，典型的就是基于 ARMv4T 的 ARM9 有这么多寄存器，之后 ARM 引入了 TrustZone 以及虚拟化就又引入了一些 banked 寄存器。现在到了 ARMv8，通用寄存器又不一样了，具体可以看 ARM 的 spec。

 6.ARM 64 经常用到的汇编指令

MOV    X1，X0         ;将寄存器X0的值传送到寄存器X1
ADD    X0，X1，X2     ;寄存器X1和X2的值相加后传送到X0
SUB    X0，X1，X2     ;寄存器X1和X2的值相减后传送到X0
AND    X0，X0，#0xF    ; X0的值与0xF相位与后的值传送到X0
ORR    X0，X0，#9      ; X0的值与9相位或后的值传送到X0
EOR    X0，X0，#0xF    ; X0的值与0xF相异或后的值传送到X0
LDR    X5，[X6，#0x08]        ；X6寄存器加0x08的和的地址值内的数据传送到X5
STR X0, [SP, #0x8]         ；X0寄存器的数据传送到SP+0x8地址值指向的存储空间
STP  x29, x30, [sp, #0x10]    ;入栈指令
LDP  x29, x30, [sp, #0x10]    ;出栈指令
CBZ  ;比较（Compare），如果结果为零（Zero）就转移（只能跳到后面的指令）
CBNZ ;比较，如果结果非零（Non Zero）就转移（只能跳到后面的指令）
CMP  ;比较指令，相当于SUBS，影响程序状态寄存器CPSR 
B/BL  ;绝对跳转#imm， 返回地址保存到LR（X30）
RET   ;子程序返回指令，返回地址默认保存在LR（X30）

其中 MOV 指令只能用于寄存器之间传值，寄存器和内存之间传值通过 LDR 和 STR 。b 是跳转指令

阿里社区也有一个很不错的整理，这里附上链接。

【ARM】常用指令集-阿里云开发者社区 (aliyun.com) 

6.1.指令条件

ARM指令所有指令都是带有条件的，默认是AL即无条件执行，当指令带有默认条件时不需要明确写出。

操作码条件码助记符标志含义
0000EQZ=1相等
0001NE(Not Equal)Z=0不相等
0010CS/HS(Carry Set/High or Same)C=1无符号数大于或等于
0011CC/LO(Carry Clear/LOwer)C=0无符号数小于
0100MI(MInus)N=1负数
0101PL(PLus)N=0正数或零
0110VS(oVerflow set)V=1溢出
0111VC(oVerflow clear)V=0没有溢出
1000HI(HIgh)C=1,Z=0无符号数大于
1001LS(Lower or Same)C=0,Z=1无符号数小于或等于
1010GE(Greater or Equal)N=V有符号数大于或等于
1011LT(Less Than)N!=V有符号数小于
1100GT(Greater Than)Z=0,N=V有符号数大于
1101LE(Less or Equal)Z=1,N!=V有符号数小于或等于
1110AL任何无条件执行(默认)
1111NV任何从不执行

 参考链接：

ARM 寄存器 详解_擒贼先擒王的博客-CSDN博客_用于子程序或函数调用时保存返回地址、减少内存访问次数的寄存器是

【ARM】常用指令集-阿里云开发者社区 (aliyun.com) 

 

 

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