寄存器概述

寄存器是中央處理器內(nèi)的組成部分。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來(lái)暫存指令、數(shù)據(jù)和地址。在中央處理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序計(jì)數(shù)器（PC）。在中央處理器的算術(shù)及邏輯部件中，存器有累加器（ACC）。

寄存器的原理組成

寄存器的基本單元是D觸發(fā)器，按照其用途分為基本寄存器和移位寄存器。

基本寄存器是由D觸發(fā)器組成，在CP脈沖作用下，每個(gè)D觸發(fā)器能夠寄存一位二進(jìn)制碼。在D=0時(shí)，寄存器儲(chǔ)存為0，在D=1時(shí)，寄存器儲(chǔ)存為1。

在低電平為0、高電平為1時(shí)，需將信號(hào)源與D間連接一反相器，這樣就可以完成對(duì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。

移位寄存器按照移位方向可以分為單向移位寄存器和雙向移位寄存器。

單向移位寄存器是由多個(gè)D觸發(fā)器串接而成。在串口Di輸入需要儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，觸發(fā)器FF0就能夠儲(chǔ)存當(dāng)前需要儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，在CP發(fā)出一次時(shí)鐘控制脈沖時(shí)，串口Di同時(shí)輸入第二個(gè)需要儲(chǔ)存是的數(shù)據(jù)，而第一個(gè)數(shù)據(jù)則儲(chǔ)存到觸發(fā)器FF1中。

雙向移位寄存器排列，調(diào)換連接端順序，可以控制寄存器向左移位，增加控制電路可以使寄存器右移，這樣構(gòu)成雙向移位寄存器。

ARM寄存器組成

在ARM狀態(tài)，16個(gè)通用寄存器（R0-R15）和一個(gè)狀態(tài)寄存器在任意時(shí)刻都可見(jiàn)。在特權(quán)（非用戶(hù)）模式下，將切換到指定模式的分組（banked）寄存器。（PS.分組寄存器的概念下文可見(jiàn)）

ARM狀態(tài)時(shí)寄存器被設(shè)為包含16個(gè)直接可以訪(fǎng)問(wèn)的寄存器：R0到R15。除了R15，其他全部寄存器都為通用寄存器，如可能用于保存數(shù)據(jù)或地址值。除此之外，還有第17個(gè)寄存器用于存儲(chǔ)狀態(tài)信息。

R8～R14、SPSR寄存器則被切換到各個(gè)模式下的私有寄存器組上，不同的模式下可以訪(fǎng)問(wèn)相應(yīng)的私有寄存器。表1顯示了在每種模式下，哪些寄存器是有效的（陰影部分的寄存器都是私有寄存器）。

表1 ARM狀態(tài)下的寄存器組織結(jié)構(gòu)

從表1中我們可以看出：

☆ R0～R7、R15、CPSR寄存器組在任何模式下都是共用的，可訪(fǎng)問(wèn)的；

☆ R8～R12寄存器組在快中斷模式下（fiq）對(duì)應(yīng)一套私有寄存器組R8_fiq～R12_fiq，在其他模式下共用另一套寄存器組；

☆ R13、R14寄存器在用戶(hù)（user）和系統(tǒng)（sys）模式下共用一套；其他模式（管理（svc）、中止（abt）、未定義（und）、中斷（irq）、快中斷（fiq）模式）下都具有兩個(gè)私有寄存器R13和R14。這就使得這些模式中的每一種模式都具有各自的堆棧寄存器指針R13和鏈接寄存器R14，分別用于堆棧處理和異常退出；

☆ SPSR寄存器可用于保存CPSR的值，在用戶(hù)和系統(tǒng)模式下不能訪(fǎng)問(wèn)，在其他模式下都有私有的SPSR寄存器。

表1中第二列列舉了寄存器在匯編語(yǔ)言中的名稱(chēng)，其中括號(hào)中的內(nèi)容是別稱(chēng)。下面我們對(duì)這些寄存器的功能進(jìn)行介紹。

1、一般通用寄存器 R0～R12

寄存器R0～R12為保存數(shù)據(jù)或地址值的一般通用寄存器。其中寄存器R0～R7為未分組的寄存器，R8～R12為分組寄存器。

未分組的寄存器意味著對(duì)于任何處理器模式，他們中的每一個(gè)都對(duì)應(yīng)于相同的32位物理寄存器。他們是完全通用的寄存器，

分組寄存器意味著同一個(gè)寄存器名對(duì)應(yīng)多個(gè)物理寄存器，具體所對(duì)應(yīng)的物理寄存器取決于當(dāng)前的處理器模式。參照表1，寄存器R8～R12有兩個(gè)分組物理寄存器。一組用于除FIQ模式之外的所有寄存器模式（R8～R12），另一組用于FIQ模式（R8_fiq～R12_fiq）。、

寄存器R8～R12在ARM體系結(jié)構(gòu)中沒(méi)有特定的用途。不過(guò)對(duì)于那些只使用R8～R14來(lái)說(shuō)就足夠處理的簡(jiǎn)單的中斷，F(xiàn)IQ所單獨(dú)使用的這些寄存器可實(shí)現(xiàn)快速的中斷處理。

2、堆棧指針 R13

寄存器R13（也稱(chēng)為堆棧指針或SP）有6個(gè)分組的物理寄存器，見(jiàn)表2-1。一個(gè)用于用戶(hù)和系統(tǒng)模式，其余5個(gè)分別用于5種異常模式。

寄存器R13通常作為堆棧指針SP。在ARM指令集中，R13大都用在對(duì)各個(gè)模式下的堆棧操作。每個(gè)異常模式都具備私有的R13寄存器，它通常指向由異常模式所專(zhuān)用的堆棧。在入口處，通常將寄存器值保存到這個(gè)堆棧。在模式轉(zhuǎn)換前將當(dāng)前寄存器的值保存到堆棧中，然后從將要切換的模式堆棧中將這些值從堆棧重裝到已切換的模式寄存器中，這種處理方法可確保異常發(fā)生時(shí)的程序狀態(tài)不會(huì)被破壞。

3、鏈接寄存器 R14

寄存器R14（也稱(chēng)為鏈接寄存器或LR）有6個(gè)分組的物理寄存器，見(jiàn)表2-1。一個(gè)用于用戶(hù)和系統(tǒng)模式，其余5個(gè)分別用于5種異常模式，對(duì)應(yīng)的私有寄存器有R14_svc，R14_irq，R14_fiq，R14_abt和R14_und。寄存器R14有三種用途：

☆ 當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，它被設(shè)置為該異常返回地址；

☆ 在執(zhí)行分支和鏈接（BL）指令時(shí)，它用于保存子程序的返回地址；

☆ 而在其他時(shí)候，可以作為一個(gè)通用寄存器來(lái)對(duì)待。

4、程序計(jì)數(shù)器 R15

寄存器R15（也稱(chēng)為程序計(jì)數(shù)器或PC）總是用于特殊用途，它總是指向下一條要讀取指令的地址。你可以把R15當(dāng)作通用寄存器使用，但使用時(shí)還有與指令有關(guān)的限制或特殊情況。如果R15使用的方式超過(guò)了這些限制，那么指令將是不可預(yù)測(cè)的。

由于ARM7采用3級(jí)流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，在ARM狀態(tài)下，讀取R15的值是當(dāng)前執(zhí)行指令地址 + 8。ARM指令以字為單位，讀取R15結(jié)果的bit［1:0］總是為0b00。

對(duì)R15進(jìn)行寫(xiě)時(shí)，如果這條寫(xiě)指令沒(méi)有超過(guò)對(duì)R15使用的限制，那么寫(xiě)入R15的正常結(jié)果值被當(dāng)成一個(gè)指令地址，程序會(huì)從這個(gè)地址處繼續(xù)執(zhí)行（相當(dāng)于執(zhí)行無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令）。因?yàn)锳RM指令以字為邊界，所以寫(xiě)入R15值的bit［1:0］通常為0b00。

5、CPSR和SPSR

所有模式共享一個(gè)程序狀態(tài)寄存器CPSR。在異常模式中，程序狀態(tài)保存寄存器SPSR可以被訪(fǎng)問(wèn)，每種異常具有自己私有的SPSR。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(guò)它（SPSR）恢復(fù)CPSR。

寄存器的用途

1.可將寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)執(zhí)行算術(shù)及邏輯運(yùn)算。

2.存于寄存器內(nèi)的地址可用來(lái)指向內(nèi)存的某個(gè)位置，即尋址。

3.可以用來(lái)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)到電腦的周邊設(shè)備。