ARM 中SP,LR,PC寄存器的作用
ARM中所有寄存器都是32位的。这里以cortex-a7内核的MX6ULL处理器为例,按照功能可以分为两类:运行需要寄存器(程序正常运行所需要的,比如变量暂存,pc制作等,总共43个),系统管理控制寄存器(存在于协处理器cp15的16个寄存器,用于mmu存储管理控制,cache控制,中断控制,浮点运算单元FPU等功能)。因此cortex-a7内核总的有59个寄存器。
1. 运行需要寄存器
ARM 处理器共有 9种不同的处理器运行模式:
用户模式(User),快速中断模式(FIQ),普通外部中断模式(IRQ),超级管理模式(Svc,裸机就是跑的这个模式,cpu复位也是这个模式),数据访问中止模式(Abort),未定义指令中止模式(Und),系统模式(Sys),监视模式(Mon),超级监视模式(Hyp)
当某个触发满足了,arm自动进入那个模式,比如外部中断来了,arm自动跳转进入IRQ_Handler向量地址,这时候就是自动进入了IRQ模式(在下面介绍的CPSR状态寄存器对应的位可以查询知道当前所处模式,确实改变了)。
除了用户模式,其它所有模式都是特权模式,如果跑了OS,大多数的程序都运行在用户模式,用户模式下是不能访问系统所有资源的,而且不能修改某些资源(比如程序状态寄存器CPSR只能被访问,不能被修改,而该寄存器低5位表示CPU运行模式状态,因此用户模式没法直接发生运行模式切换,保障了系统安全,比如用户模式不能直接开关某某中断),有些资源是受限的,要想访问这些资源,就必须发生模式切换,只能是通过借助异常(比如SWI软中断,将进入SVC模式)来完成模式切换,当要切换模式的时候,应用程序可以产生异常,在异常的处理过程中完成处理器模式切换。
任意一种模式都可以运行程序,因此每种模式,按原则来说会有自己的一组寄存器来实现代码运行,但是有些寄存器是共用的,有些是仅自己用的(从物理上的寄存器不同)。如下图所示(只画出了7种运行模式):
上面可以看出系统模式,用户模式,都是正常模式,完全共用寄存器组,而其它模式都属于异常模式。
总结一下,CortexA 内核运行所需寄存器组成如下:
①、34 个通用寄存器,包括 R15 程序计数器(PC),这些寄存器都是 32 位的。
②、8 个状态寄存器,包括 CPSR 和 SPSR。
③、Hyp 模式下独有一个 ELR_Hyp 寄存器。
注:Thumb 程序中(arm指令集的一个子集,大大的节省了系统的存储空间,不是一个完整的体系结构,不能指望处理器只执行thumb指令集而不支持arm指令集),通常只能使用 r4~r7 来保存局部变量。
r12:内部程序调用暂存寄存器,也成为ip寄存器,在子程序间的连接text段中常使用该规则。
r13:栈指针,也称为sp寄存器。SP寄存器是ARM中的栈指针寄存器,用于存储当前栈顶的地址。在程序执行过程中,栈是用来存储临时变量、函数调用返回地址等数据的重要数据结构,SP寄存器的值会随着栈的变化而变化。
r14:连接寄存器,也称为lr寄存器。LR寄存器是ARM中的链接寄存器,程序跳转(子程序调用,中断跳转)后,arm自动在该寄存器中存入原程序(未跳转)的下一条指令的地址,也叫函数调用返回地址。当一个函数被调用时,LR寄存器会存储调用该函数的下一条指令的地址,当函数执行完毕后,程序会跳转到LR寄存器中存储的地址继续执行。
r15:程序计数器,也称为pc寄存器。保存的是当前正在取指的指令的地址(arm采用2级流水线,因此是当前正在执行指令的地址+8)。PC寄存器是ARM中的程序计数器,用于存储下一条将要执行的指令的地址。在程序执行过程中,PC寄存器的值会不断变化,指向下一条将要执行的指令的地址。当程序执行完毕时,PC寄存器的值会指向程序的结束地址。
汇编程序中最常用的就是SP、LR及PC三个寄存器。
除了上述每种模式所需寄存器外,还有6状态寄存器,最主要的就是两个CPSR和SPSR,arm进入异常模式后,SPSR自动保存进入异常前的CPSR的值,以便异常返回后恢复异常发生时的工作状态。因此主要看CPSR中的位都是什么作用:
常用于MRS或MSR指令,用于spsr中的值转移到寄存器或把寄存器的内容加载到spsr中,如:
mrs r0, spsr /* 读取spsr寄存器 */
msr spsr_cxsf, r0 /* 恢复spsr */
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