ARM处理器共有37个寄存器。其中包括：31个通用寄存器，包括程序计数器(PC)在内。这些寄存器都是32位寄存器。以及6个32位状态寄存器。但目前只使用了其中12位。ARM处理器共有7种不同的处理器模式，在每一种处理器模式中有一组相应的寄存器组。任意时刻(也就是任意的处理器模式下)，可见的寄存器包括15个通用寄存器(R0～R14)、一个或两个状态寄存器及程序计数器(PC)。在所有的寄存器中，有些是各模式共用的同一个物理寄存器；有一些寄存器是各模式自己拥有的独立的物理寄存器。表1列出了各处理器模式下可见的寄存器情况。
表1 各种处理器模式下的寄存器
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用户模式 |
系统模式 |
特权模式 |
中止模式 |
未定义指令模式 |
外部中断模式 |
快速中断模式 |
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R0 |
R0 |
R0 |
R0 |
R0 |
R0 |
R0 |
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R1 |
R1 |
R1 |
R1 |
R1 |
R1 |
R1 |
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R2 |
R2 |
R2 |
R2 |
R2 |
R2 |
R2 |
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R3 |
R3 |
R3 |
R3 |
R3 |
R3 |
R3 |
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R4 |
R4 |
R4 |
R4 |
R4 |
R4 |
R4 |
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R5 |
R5 |
R5 |
R5 |
R5 |
R5 |
R5 |
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R6 |
R6 |
R6 |
R6 |
R6 |
R6 |
R6 |
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R8 |
R8 |
R8 |
R8 |
R8 |
R8 |
R8_fiq |
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R9 |
R9 |
R9 |
R9 |
R9 |
R9 |
R9_fiq |
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R10 |
R10 |
R10 |
R10 |
R10 |
R10 |
R10_fiq |
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R11 |
R11 |
R11 |
R11 |
R11 |
R11 |
R11_fiq |
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R12 |
R12 |
R12 |
R12 |
R12 |
R12 |
R12_fiq |
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R13 |
R13 |
R13_svc |
R13_abt |
R13_und |
R13_inq |
R13_fiq |
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R14 |
R14 |
R14_svc |
R14_abt |
R14_und |
R14_inq |
R14_fiq |
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PC |
PC |
PC |
PC |
PC |
PC |
PC |
|
CPSR |
CPSR |
CPSR SPSR_svc |
CPSR SPSR_abt |
CPSR SPSR_und |
CPSR SPSR_inq |
CPSR SPSR_fiq |
通用寄存器
通用寄存器可以分为下面3类：未备份寄存器(The unbanked registers)，包括R0～R7。备份寄存器(The banked registers)，包括R8～R14。程序计数器PC，即R15。
未备份寄存器
未备份寄存器包括R0～R7。对于每一个未备份寄存器来说，在所有的处理器模式下指的都是同一个物理寄存器。在异常中断造成处理器模式切换时，由于不同的处理器模式使用相同的物理寄存器，可能造成寄存器中数据被破坏。未备份寄存器没有被系统用于特别的用途，任何可采用通用寄存器的应用场合都可以使用未备份寄存器。
备份寄存器
对于备份寄存器R8～R12来说，每个寄存器对应两个不同的物理寄存器。例如，当使用快速中断模式下的寄存器时，寄存器R8和寄存器R9分别记作R8_fiq、R9_fiq；当使用用户模式下的寄存器时，寄存器R8和寄存器R9分别记作R8_usr、R9_usr等。在这两种情况下使用的是不同的物理寄存器。系统没有将这几个寄存器用于任何的特殊用途，但是当中断处理非常简单，仅仅使用R8～R14寄存器时，FIQ处理程序可以不必执行保存和恢复中断现场的指令，从而可以使中断处理过程非常迅速。对于备份寄存器R13和R14来说，每个寄存器对应6个不同的物理寄存器，其中的一个是用户模式和系统模式共用的；另外的5个对应于其他5种处理器模式。采用记号R13_<mode>来区分各个物理寄存器：
其中，<mode>可以是下面几种模式之一：usr、svc、abt、und、irq及fiq。
寄存器R13在ARM中常用作栈指针。在ARM指令集中，这只是一种习惯的用法，并没有任何指令强制性的使用R13作为栈指针，用户也可以使用其他的寄存器作为栈指
针；而在Thumb指令集中，有一些指令强制性地使用R13作为栈指针。
每一种异常模式拥有自己的物理的R13。应用程序初始化该R13，使其指向该异常模式专用的栈地址。当进入异常模式时，可以将需要使用的寄存器保存在R13所指的栈中；当退出异常处理程序时，将保存在R13所指的栈中的寄存器值弹出。这样就使异常处理程序不会破坏被其中断程序的运行现场。
寄存器R14又被称为连接寄存器(Link Register，LR)，在ARM体系中具有下面两种特殊的作用：每一种处理器模式自己的物理R14中存放在当前子程序的返回地址。当通过BL或BLX指令调用子程序时，R14被设置成该子程序的返回地址。在子程序中，当把R14的值复制到程序计数器PC中时，子程序即返回。
当异常中断发生时，该异常模式特定的物理R14被设置成该异常模式将要返回的地址，对于有些异常模式，R14的值可能与将返回的地址有一个常数的偏移量。具体的返回方式与上面的子程序返回方式基本相同。
R14寄存器也可以作为通用寄存器使用。
程序计数器R15
程序计数器R15又被记作PC。它虽然可以作为一般的通用寄存器使用，但是有一些指令在使用R15时有一些特殊限制。当违反了这些限制时，该指令执行的结果将是不可预料的。
由于ARM采用了流水线机制，当正确读取了PC的值时，该值为当前指令地址值加8个字节。也就是说，对于ARM指令集来说，PC指向当前指令的下两条指令的地址。
由于ARM指令是字对齐的，PC值的第0位和第1位总为0。需要注意的是，当使用指令STR／STM保存R15时，保存的可能是当前指令地址值加8字节，也可能保存的是当前指令地址加12字节。到底是哪种方式，取决于芯片具体设计方式。无论如何，在同一芯片中，要么采用当前指令地址加8，要么采用当前指令地址加12，不能有些指令采用当前指令地址加8，另一些指令采用当前指令地址加12。因此对于用户来说，尽量避免使用STR／STM指令来保存R15的值。当不可避免这种使用方式时，可以先通过一些代码来确定所用的芯片使用的是哪种实现方式。
对于ARM版本4以及更高的版本，程序必须保证写入R15寄存器的地址值的bits[1：0]为0b00；否则将会产生不可预知的结果。
对于Thumb指令集来说，指令是半字对齐的。处理器将忽略bit[0]，即写入R15的地址值首先与0XFFFFFFFC做与操作，再写入R15中。
还有—些指令对于R15的用法有一些特殊的要求。比如，指令BX利用bit[0]来确定是ARM指令，还是Thumb指令。这种读取PC值和写入PC值的不对称的操作需要特别注意。
程序状态寄存器
CPSR(当前程序状态寄存器)可以在任何处理器模式下被访问。它包含了条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志以及其他的一些控制和状态位。每一种处理器模式下都有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR(备份程序状态寄存器)。当特定的异常中断发生时，这个寄存器用于存放当前程序状态寄存器的内容。在异常中断程序退出时，可以用SPSR中保存的值来恢复CPSR。
由于用户模式和系统模式不是异常中断模式，所以它们没有SPSR。当在用户模式或系统模式中访问SPSR，将会产生不可预知的结果。
CPSR的格式如下所示。SPSR格式与CPSR格式相同。
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31 |
30 |
29 |
28 |
27 |
26 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
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N |
Z |
C |
V |
Q |
DNM(RAZ) |
I |
F |
T |
M4 |
M3 |
M2 |
M1 |
M0 |
条件标志位
N(Negative)、Z(Zero)、C(Carry)及V(oVerflow)统称为条件标志位。大部分的ARM指令可以根据CPSR中的这些条件标志位来选择性地执行。各条件标志位的具体含义如表2所示。
表2 CPSR中的条件标志位
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标志位 |
含 义 |
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N |
本位设置成当前指令运算结果的bit[31)的值 当两个补码表示的有符号整数运算时，N=I表示运算的结果为负数；N=0表示结果为正数或零 |
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Z |
Z=1表示运算的结果为零；Z=0表示运算的结果不为零。 对于CMP指令，Z=1表示进行比较的两个数大小相等。 下面分4种情况讨论C的设置方法： 在加法指令中(包括比较指令CMN)，当结果产生了进位，则C=1，表示无符号数运算发生上溢出；其他情况下C=0。 在减法指令中(包括比较指令CMP)，当运算中发生借位则C=0表示无符号数运算发生下溢出；其他情况下C=1。 对于包含移位操作的非加／减法运算指令，C中包含最后一次溢出的位数数值。 对于其他非加／减法运算指令，C位的值通常不受影响。 |
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V |
对于加／减法运算指令，当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数时V＝1表示符号位溢出。 通常其他的指令不影响V位，具体可参考各指令的说明。 |
Q标志位
在ARMv5的E系列处理器中，CPSR的bit[27]称为Q标志位，主要用于指示增强的
DSP指令是否发生了溢出。同样的SPSR中的bit[27]也称为Q标志位，用于在异常中断发生时保存和恢复CPSR中的Q标志位。
在ARM v5以前的版本及ARM v5的非E系列的处理器中，Q标志位没有被定义。CPSR的bit[27]属于DNM(RAZ)。
CPSR中的控制位
CPSR的低8位I、F、T及M[4：0]统称为控制位。当异常中断发生时这些位发生变化。在特权级的处理器模式下，软件可以修改这些控制位。
1) 中断禁止位
当I=1时禁止IRQ中断。
当F=1时禁止FIQ中断。
2) T控制位
T控制位用于控制指令执行的状态，即说明本指令是ARM指令，还是Thumb指令。对与不同版本的ARM处理器，T控制位的含义不同。对于ARMv4以及更高版本的T系列的ARM处理器，
T=0表示执行ARM指令。
T=1表示执行Thumb指令。
对于ARMv5以及更高的版本的非T系列的ARM处理器，T控制位含义如下：
T=0表示执行ARM指令。
T=1表示强制下一条执行的指令产生未定义指令中断。
3) M控制位
控制位M[4：0]控制处理器模式，具体含义如表3所示。
表3控制位M[4：0] 的含义
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M[4：0] |
处理器模式 |
可访问的寄存器 |
|
0b10000 |
User |
PC，R14一R0，CPSR |
|
0b10001 |
FIQ |
PC，R14_fiq-R8_flq，R7~R0，CPSR，SPSR_nq |
|
0b10010 |
1RQ |
PC，R14 _irq-R13 _irq，R12一R0，CPSR，SPSR_ irq |
|
0b10011 |
Supervisor |
PC，R14_ svc-R13 _svc，R12～R0，CPSR，SPSR_svc |
|
0b10111 |
Abort |
PC，R14_abt-R13_abt，R12～R0，CPSR，SPSR_abt |
|
0b11011 |
Undefined |
PC，R14_und-R13_und，R12~R0，CPSR，SPSR_ und |
CPSR中的其他位
CPSR中的其他位用于将来ARM版本的扩展。应用软件不要操作这些位，以免与ARM将来版本的扩展冲突。
ARM体系中的存储空间
ARM体系使用单—的平板地址空间。该地址空间的大小为232个8位字节。这些字节单元的地址是一个无符号的32位数值，其取值范围为0到232—1。ARM的地址空间也可以看作是232个32位的字单元。这些字单元的地址可以被4整除，也就是说该地址的低两位为0b00。地址为A的字数据包括地址为A、A＋I、A＋2、A＋34个字节单元的内容。
在ARM版本4及以上的版本中，ARM的地址空间也可以看作是231个16位的半字单元。这些半字单元的地址可以被2整除，也就是说该地址的最低位为0b0。地址为A的半字数据包括地址为A、A＋1两个字节单元的内容。
各存储单元的地址作为32位的无符号数，可以进行常规的整数运算。这些运算的结果进行232取模。也就是说，运算结果发生上溢出和下溢出时，地址将会发生卷绕。
ARM存储器格式
在ARM体系中，每个字单元中包含4个字节单元或者两个半字单元：1个半字单元中包含两个字节单元。但是在字单元中，4个字节哪一个是高位字节，哪一个是低位字节则有两种不同的格式：big-endian格式和little-endian格式。在big-endian格式中，对于地址为A的字单元包括字节单元A、A＋1、A＋2及A＋3，其中字节单元由高位到低位字节顺序为A、A＋1、A＋2、A＋3；地址为A的字单元包括半字单元A、A＋2，其中半字单元由高位到低位字节顺序为A、A＋2：地址为A的半字单元包括字节单元A、A＋1，其中字节单元由高位到低位字节顺序为A、A＋1。
在little-endian格式中，地址为A的字单元包括字节单元A、A＋1、A＋2及A＋3，其中字节单元由高位到低位字节顺序为A＋3、A＋2、A＋1、A；地址为A的字单元包括半字节单元A、A＋2，其中半字单元由高位到低位字节顺序为A＋2、A；地址为A的半字单元包括字节单元A、A＋1，其中字节单元由高位到低位字节顺序为A＋1、A
ARM处理器包含多少寄存器?每种模式下又有那些寄存器?这些寄存器的作用又是什么?带着这些问题我们来学习ARM寄存器吧!相信看完这篇文章后你会有所收获。
ARM处理器共有37个寄存器。
它包含31个通用寄存器和6个状态寄存器。
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Usr System Supervisor Abort Undefined IRQ FIQ
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R0 R0 R0 R0 R0 R0 R0
R1 R1 R1 R1 R1 R1 R1
R2 R2 R2 R2 R2 R2 R2
R3 R3 R3 R3 R3 R3 R3
R4 R4 R4 R4 R4 R4 R4
R5 R5 R5 R5 R5 R5 R5
R6 R6 R6 R6 R6 R6 R6
R7 R7 R7 R7 R7 R7 R7
R8 R8 R8 R8 R8 R8 R8_fiq
R9 R9 R9 R9 R9 R9 R9_fiq
R10 R10 R10 R10 R10 R10 R10_fiq
R11 R11 R11 R11 R11 R11 R11_fiq
R12 R12 R12 R12 R12 R12 R12_fiq
R13 R13 R13_svc R13_abt R13_und R13_irq R13_fiq
R14 R14 R14_svc R14_abt R14_und R14_irq R14_fiq
PC PC PC PC PC PC PC
CPSR CPSR CPSR CPSR CPSR CPSR CPSR
SPSR_svc SPSR_abt SPSR_und SPSR_irq SPSR_fiq
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1.通用寄存器的分类：
a.未备份寄存器,包括R0-R7
对每个未备份寄存器来说,在所有的模式下都是指同一个物理寄存器(例如:Usr下的R0与FIQ下的R0是同一个寄存器)。在异常程序中断造成模式切换时，由于不同模式使用的是相同的物理寄存器。这可能导致数据遭到破坏。未备份寄存器没有被系统作为别的用途,任何场合均可采用未备份寄存器。
b.备份寄存器,包括R8-R14
对于备份寄存器R8-R12来说,除FIQ模式下其它模式均使用相同的物理寄存器。在FIQ模式下R8_fiq,R9_fiq,
R10_fiq,R11_fiq,R12_fiq。它有自己的物理寄存器。
对于R13和R14寄存器每种模式都有自己的物理寄存器(System与Usr的寄存器相同)当异常中断发生时,系统使用相应模式下的物理寄存器,从而可以避免数据遭到破坏。
R13也称为SP堆栈指针。
R14也称为LR寄存器
c.程序计数器,PC
PC寄存器存储指令地址,由于ARM采用流水机制执行指令,故PC寄存器总是存储下一条指令的地址。
由于ARM是按照字对齐故PC被读取后的值的bit[1:0]总是0b00(thumb的bit[0]是0b0)。
2.程序状态寄存器
程序状态寄存器包含当前程序状态寄存器和备份状态寄存器。
a.CPSR(程序状态寄存器)
CPSR在任何处理器模式下都可以被访问。其结构如下：
31 30 29 28 --- 7 6 - 4 3 2 1 0
N Z C V I F M4 M3 M2 M1 M0
N(Negative)、Z(Zero)、C(Carry)以及V(oVerflow)称为条件标志位。ARM指令根据CPSR的条件标志位来选择地执行。
CPSR条件标志位
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条件标志位 含义
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N N=1 表示运算结果为负数,N=0 表示运算结果为正数。
Z Z=1 表示运算结果为0， Z=0 表示运算结果为非零。
C C=1 表示运算结果产生了进位。
V V=1 运算结果的符号位发生了溢出。
Q 在ARMv5 E系列版本中Q=1 表示DSP指令溢出。
在ARMv5以前的版本中没有Q标志位。
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以下指令会影响CPSR的条件标志位
(1)比较指令,如: CMP、CMN、TEQ、TST等。
(2)当一些算术逻辑运算的目标寄存器不是PC时，这些指令会影响CPSR的条件标志位。
(3)MSR与MRS指令可以对CPSR/SPSR进行操作。
(4)LDM指令可以将SPSR复制到CPSR中。
CPSR的控制位
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控制位 含义
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I I=1 禁用IRO中断
F F=1 禁用FIQ中断
T ARMv4以上T版本T=0 执行ARM指令,T=1执行Thumb指令。
ARMv5以上非T版本T=0 执行ARM指令,T=1表示下一条指令产生未定义指令中断。M[4:0] 控制处理器模式
0b10000 User
0b10001 FIQ
0b10010 IRQ
0b10011 Supervisor
0b10111 Abort
0b11011 Undefined
0b11111 System
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b.SPSR(备份状态寄存器)
SPSR的结构与CPSR的结构相同，SPSR是用来备份CPSR的。