ARMv7 寄存器 分类

在 ARMv7-A 架构中，处理器支持多种工作模式（Processor Modes），每种模式下可用的寄存器数量和类型有所不同。以下是基于 ARMv7 的寄存器组织和模式划分的详细说明：

参考链接：https://blog.csdn.net/qq_40309666/article/details/136147962
https://blog.csdn.net/weixin_45649908/article/details/125677511

1. ARMv7 的处理器模式

ARMv7 有 7 种处理器模式（也称为特权模式），每种模式对应不同的权限级别和用途：

  1. User (usr)：非特权模式，普通应用程序运行在此。
  2. Supervisor (svc)：操作系统内核运行在此。
  3. Fast Interrupt Request (fiq)：处理高速中断。
  4. Interrupt Request (irq)：处理普通中断。
  5. Abort (abt)：处理内存访问异常（如 Prefetch Abort 或 Data Abort）。
  6. Undefined (und)：处理未定义指令异常。
  7. Monitor (mon)：管理安全状态切换（TrustZone）。
  8. Hyp (hyp)：虚拟化扩展模式（部分实现中支持）。

注：Monitor 和 Hyp 模式在部分 ARMv7 实现中可能不启用。

2. 寄存器的基本分类

ARMv7 的寄存器分为以下几类：

  • 通用寄存器（General Purpose Registers, GPRs）：共 16 个（R0~R15）。
  • 程序状态寄存器（Program Status Registers, PSRs）：
    • CPSR（Current Program Status Register）：当前程序状态寄存器。
    • SPSR（Saved Program Status Register）：异常模式下保存 CPSR 的值。
  • 特殊寄存器（如 CP15 控制寄存器，用于内存管理、时钟等）。

3. 各模式下的寄存器分配

(1) 共享寄存器（未分组寄存器）

  • R0~R7：所有模式下共享相同的物理寄存器。
  • R15（PC）：程序计数器，在所有模式下共享。

(2) 分组寄存器（模式专用寄存器）

  • R8~R12：在 FIQ 模式 下有专用的物理寄存器（R8_fiq~R12_fiq）。
  • R13（SP）：堆栈指针寄存器（Stack Pointer），每种模式有独立的物理寄存器：
    • SP_usr, SP_svc, SP_irq, SP_abt, SP_und, SP_mon, SP_hyp。
  • R14（LR）：链接寄存器（Link Register），保存子程序返回地址：
    • LR_usr, LR_svc, LR_irq, LR_abt, LR_und, LR_mon, LR_hyp。

(3) 程序状态寄存器

  • CPSR：在所有模式下可访问。
  • SPSR：仅在异常模式（如 FIQ、IRQ、SVC、ABT、UND、MON、HYP）下存在，用于保存异常发生前的 CPSR 值。

4. 各模式下的寄存器列表

模式 通用寄存器 SP（R13） LR（R14） SPSR
User (usr) R0R7（共享）、R8R12（共享）、R13（SP_usr）、R14（LR_usr）、R15（PC） SP_usr LR_usr 无
FIQ (fiq) R0R7（共享）、R8R12（专用 fiq）、R13（SP_fiq）、R14（LR_fiq）、R15（PC） SP_fiq LR_fiq SPSR_fiq
IRQ (irq) R0R7（共享）、R8R12（共享）、R13（SP_irq）、R14（LR_irq）、R15（PC） SP_irq LR_irq SPSR_irq
SVC (svc) R0R7（共享）、R8R12（共享）、R13（SP_svc）、R14（LR_svc）、R15（PC） SP_svc LR_svc SPSR_svc
ABT (abt) R0R7（共享）、R8R12（共享）、R13（SP_abt）、R14（LR_abt）、R15（PC） SP_abt LR_abt SPSR_abt
UND (und) R0R7（共享）、R8R12（共享）、R13（SP_und）、R14（LR_und）、R15（PC） SP_und LR_und SPSR_und
MON (mon) R0R7（共享）、R8R12（共享）、R13（SP_mon）、R14（LR_mon）、R15（PC） SP_mon LR_mon SPSR_mon
HYP (hyp) R0R7（共享）、R8R12（共享）、R13（SP_hyp）、R14（LR_hyp）、R15（PC） SP_hyp LR_hyp SPSR_hyp

5. 寄存器总数

  • 逻辑上可见的寄存器：16 个通用寄存器（R0~R15） + 1 个 CPSR = 17 个。
  • 物理寄存器数量：
    • 未分组寄存器（R0~R7、R15）：共 9 个物理寄存器。
    • 分组寄存器：
      • R8~R12 在 FIQ 模式下有专用副本：5 个物理寄存器。
      • R13（SP）：7 个物理寄存器（每种模式一个）。
      • R14（LR）：7 个物理寄存器（每种模式一个）。
    • SPSR：7 个物理寄存器（异常模式各一个）。
    • 总计：9（未分组） + 5（R8~R12_FIQ） + 7（SP） + 7（LR） + 7（SPSR） = 35 个物理寄存器。
      image

6. 关键寄存器功能说明

(1) R0~R7

  • 作用：通用数据寄存器，用于存储临时数据或函数参数。
  • 特点：所有模式共享同一物理寄存器。

(2) R8~R12

  • User/SVC/IRQ/ABT/UND/HYP 模式：共享同一物理寄存器。
  • FIQ 模式：专用物理寄存器（R8_fiq~R12_fiq），避免中断处理时频繁压栈/出栈。

(3) R13（SP）

  • 作用：堆栈指针，指向当前模式的栈顶。
  • 特点：每种模式有独立的物理寄存器（如 SP_irq、SP_svc）。

(4) R14（LR）

  • 作用：保存子程序返回地址（由 BL 指令设置）。
  • 特点：每种模式有独立的物理寄存器（如 LR_irq、LR_svc）。

(5) R15（PC）

  • 作用：程序计数器，指向当前执行指令的地址。
  • 特点：所有模式共享同一物理寄存器。

(6) CPSR

  • 作用：保存当前处理器状态（条件标志位、中断使能、当前模式等）。
  • 字段：
    • M[4:0]：指示当前模式（如 0b10000 表示 SVC 模式）。
    • N/Z/C/V：算术运算结果标志（负数、零、进位、溢出）。
    • I/F：中断屏蔽位（禁止 IRQ/FIQ）。
    • T：ARM/Thumb 状态标志。

(7) SPSR

  • 作用：在异常发生时保存 CPSR 的值，供异常处理结束后恢复。
  • 特点：仅存在于异常模式（如 SPSR_irq、SPSR_svc）。

7. 示例：从 User 模式到 FIQ 模式的寄存器变化

  • User 模式：
    • 使用 SP_usr 和 LR_usr。
    • R8~R12 是共享寄存器。
  • FIQ 模式：
    • 使用 SP_fiq 和 LR_fiq。
    • R8~R12 是专用寄存器（无需压栈/出栈，直接访问）。

8. 总结

  • ARMv7 的寄存器设计通过 分组寄存器（如 SP/LR）和 模式专属寄存器（如 SPSR）实现了对不同特权级别的灵活支持。
  • 逻辑上的 16 个通用寄存器（R0~R15）在物理上因模式不同而扩展为多个副本，确保异常处理和中断响应的高效性。
  • CPSR 和 SPSR 是管理处理器状态的核心寄存器，尤其在模式切换和异常处理中扮演关键角色。

这种设计既保持了 RISC 架构的简洁性，又通过硬件机制提高了系统的安全性和性能。

posted @ 2025-04-30 16:01  颜小雀  阅读(176)  评论(0)    收藏  举报