2020年02月24日 | ARM汇编编程基础之一 —— 寄存器

ARM的汇编编程，本质上就是针对ＣＰＵ寄存器的编程，所以我们首先要弄清楚ARM有哪些寄存器？这些寄存器都是如何使用的？

ARM寄存器分为2类，普通寄存器和状态寄存器

请看上表的第2列，普通寄存器总共16个，分别为R0-R15；状态寄存器共2个，分别为CPSR和SPSR

普通寄存器中特别要提出来的是R13、R14、R15。

R15别名PC（program counter），中文称为程序计数器，它的值是当前正在执行的指令在内存中的位置（不考虑流水线的影响，参见流水线对PC值的影响一文），而当指令执行结束后，CPU硬件会自动将PC的值加上一个单位，从而使得PC的值为下一条即将执行的指令在内存中的位置，这样CPU硬件就可以根据PC的值自动完成取指的操作。正是由于有PC的存在，以及CPU硬件会自动增加PC的值，并根据PC的值完成取指操作，才使得CPU一旦上电就永不停歇地运转，由此可见PC寄存器对于计算机的重要性。对于我们进行汇编程序编写而言，PC寄存器亦是十分重要，因为当程序员通过汇编指令完成了对PC寄存器的赋值操作的时候，其实就是完成了一次无条件跳转，这一点非常重要，请务必要牢记。

R14别名LR（linked register），中文称为链接寄存器，它与子程序调用密切相关，用于存放子程序的返回地址，它是ARM程序实现子程序调用的关键所在。下面我们用C语言中对子程序调用的实现细节来说明LR是如何被使用的。

1 int main(void)
2 {
3    int k, i = 1, j = 2;
4    addsub(i, j);
5    k = 3;
6 }

7 int addsub(int a, int b)
8 {
9    int c;
10    c = a + b;
11    return c;
12 }

对于上面的程序，编译器会将第4行编译为指令：BL addsub，将第11行编译为指令：MOV pc, lr。（关于ＢＬ和ＭＯＶ指令详见“基本寻址模式与基本指令”）

在这里，关键指令BL addsub会完成2件事情：１、将子程序的返回地址（也就是第５行代码在内存中的位置）保存到寄存器LR中；２、跳转到子程序addsub的第１条指令处。这样就完成了子程序的调用。而指令MOV pc, lr则将保存在lr中的返回地址赋给pc，这样就完成了从子程序的返回。由此可见，lr是用于存放子程序的返回地址的。

另外一个要引起注意的问题是，如果子程序又调用了孙子程序，那么根据前面的分析，在调用孙子程序时，lr寄存器中的值将从子程序的返回地址变为孙子程序的返回地址，这将导致从孙子程序返回子程序没有问题，但从子程序返回父程序则会出错。那么这个问题如何解决呢？其实，如果我们编写的是Ｃ程序，那么我们一点也不用担心，因为编译器会为我们考虑一切，针对这个问题，编译器会在孙子程序的入口处增加入栈操作将ｌｒ的值入栈，然后在孙子程序的返回处增加出栈操作，将ｌｒ的值恢复，从而解决这个难题。不过我们一定要保持头脑的清醒，因为你要知道，我们现在是在编写汇编子程序，此时编译器已经不能在这方面给我们提供保障，所以当你在编写汇编子程序的时候，发现该子程序还要再调用孙子程序，那么请你务必记住，一定要在子程序的入口处保存lr寄存器的值。

好了，现在轮到寄存器Ｒ13了，Ｒ13又名SP（stack pointer），中文名称栈指针寄存器。顾名思义，它是用于存放堆栈的栈顶地址的。也就是说，每次当我们进行出栈和入栈的时候，都将根据该寄存器的值来决定访问内存的位置（即：出入栈的内存位置），同时在出栈和入栈操作完成后，SP寄存器的值也应该相应增加或减少。这里要特别说明的是，其实在３２位的ＡＲＭ指令集中没有专门的入栈指令和出栈指令，所以并不是一定要用ＳＰ来作为栈指针寄存器，除了ＰＣ外，任何普通寄存器均可作为栈指针寄存器，只不过，约定俗成都使用ＳＰ罢了。我们将在“其它寻址模式与其它指令”一文中见到ＡＲＭ中使用ＳＰ作为栈指针寄存器的出入栈指令。

寄存器Ｒ０－Ｒ１２是普通的数据寄存器，可用于任何地方。在不涉及ＡＴＰＣＳ规则（在“ATPCS与混合编程”一文中详细介绍）的情况下，他们并没有什么特别的用法。

状态寄存器ＣＰＳＲ（current program status register），中文名称：当前程序状态寄存器，顾名思义它是用于保存程序的当前状态的。那么，程序的哪些状态是需要保存的呢？

ＣＰＳＲ寄存器的内容，主要由以下部分组成：

１、条件代码标志位。它们是ＡＲＭ指令条件执行的依据。

Ｎ：运算结果的最高位反映在该标志位。对于有符号二进制补码，结果为负数时N=1，结果为正数或零时N=0；

Ｚ：指令结果为0时Z=1（通常表示比较结果“相等”），否则Z=0；

C：当进行加法运算(包括CMN指令)，并且最高位产生进位时C=1，否则C=0。当进行减法运算(包括CMP 指令)，并且最高位产生借位时C=0，否则C=1。对于结合移位操作的非加法/减法指令，C为从最高位最后移出的值，其它指令C通常不变

V：当进行加法/减法运算，并且发生有符号溢出时V=1，否则V=0，其它指令V通常不变

２、控制位。它们将控制ＣＰＵ是否响应中断。

Ｉ：中断禁止位，当I位置位时，IRQ中断被禁止

Ｆ：快中断禁止位，当F位置位时，FIQ中断被禁止

T：反映了ＣＰＵ当前的状态。当T位置位时，处理器正在Thumb状态下运行；当T位清零时，处理器正在ARM状态下运行

３、模式位

包括M4、M3、M2、M1和M0，这些位决定了处理器的模式（关于处理器模式详见“ARM处理器模式与异常初步”一文）。

总共有７种模式：用户、快中断、中断、管理、中止、未定义、系统，分别会用于不同的情况和异常。由此可见，不是所有模式位的组合都定义了有效的处理器模式，如果使用了错误的设置，将引起一个无法恢复的错误。

SPSR（saved program status register），中文名称：保存的程序状态寄存器

该寄存器的结构与CPSR完全一样，在异常发生时（关于异常，请参见“ARM处理器模式与异常初步”一文），由硬件自动将异常发生前的CPSR的值存放到SPSR中，以便将来在异常处理结束后，程序能恢复原来CPSR的值。