frankfan的胡思乱想

学海无涯,回头是岸

ARM中的状态寄存器

总览☕️

之前内容里我们讨论过armv7架构的指令格式，32bits的前4bits是条件执行相关的标志，需要与状态寄存器CPSR配合使用，今天我们就来聊聊状态寄存器（CPSR）

CPSR即Current Program Status Register的缩写，直译为当前程序状态寄存器（这里要注意）

image.png

cpsr编码格式

在armv7架构中，cpsr有其非常重要且特殊的意义，因为arm指令编码中是天生带条件执行的，需要与状态寄存器相配合执行指令。

⭐️cpsr寄存器的长度为32bits，其中有一些重要的位:

  • N：bit31，当运算结果为负且运算指令要求更新（指令带s后缀）寄存器时，该位会被置位

  • Z：bit30，当运算结果为0且运算指令要求更新寄存器时，该位会被置位

  • ‼️C：bit29，当运算结果产生进位且指令要求更新寄存器时，该位会被置位

    📢这个标志位需要多说几句：

    C(carry) 表示进位，进位表示运算结果需要使用更高的位来保存，比如 5+ 5 = 10，这就产生了进位，鉴于 armv7 架构中寄存器宽度为 32 位，所以最大值是 0xffffffff，当两个数值相加超过 0xffffffff时，将产生进位，此时 CPSR 中的 C bit 被置位，实际上，这个进位的值此时就保存在C位上。

    对于减法而言，C bit 变成了借位，当被减数比减数小就需要借位，比如 3-5，但是C bit的置位是反过来的，当产生借位时，C bit 为0，否则 C bit 为 1，也就是 3-5 时 C bit 为0,5-3 时 C bit 为 1。实际上这是可以被理解的，在计算机中负数用补码表示，1-2实质为1+(-2)，表示为二进制则为0x1+0x0xfffffffe结果为0xffffffff，此时并没有产生进位，所以C位不会置1；而当2-1时实质为2+(-1)，表示为二进制则为0x2+0xffffffff，此时产生了进位，则C位置1；所以在对待C位的设置逻辑上，加法与减法的本质都是一样的，都是保存运算结果的进位值。

  • ‼️V：bit28，当运算结果产生符号位溢出且指令要求更新寄存器时，该位会被置位

    📢这个标志位需要多说几句:

    所谓的符号位溢出，是指发生这样的运算时：正+正=负，负+负=正；因为计算机中所有的运算都是定长运算，因此运算结果不可避免的存在超出定长长度这种情况，这就是所谓的溢出了。

    那么，V位的结果最终是0还是1，是怎么运算得来的呢？手册公式如下：

    sign_sum = Sint(x)+Sint(y) #Sint表【有符号短整型】
result = sign_sum<32-1:0>
overflow = if Sint(result) == sign_sum then '0' else '1'
    不得不说这个公式颇为费解

    举例说明:现有2个单字节(8bits)大小的数据（有符号数），X、Y；

    🔖X = -1、Y = -2，根据公式：

    1.sign_sum = Sint(-1)+Sint(-2) => -1+-2 =>-3
2.result = -3<7:0> = -3
3.Sint(result) => Sint(-3) => 0xfd

    显然，有符号短整型（Sint(-3)）此时的十六进制数0xfd就是十进制的-3，因此Sint(-3)等于sign_sum，因此overflow的值为0。

    🔖当X = 127、Y = 2，根据公式：

    1.sign_sum = Sint(127)+Sint(2) => 127 + 2 =>129
2.result = 129<7:0> => 129 =>0x81
3.Sint(result) => Sint(129) => -2

    显然，-2与0x81并不相等，因此overflow的值为1

    🔖当X=-127、Y=-1，根据公式：

    1.sign_sum = Sint(-127)+Sint(-2) => -127 + -2 =>-129
2.result = -129<7:0> => -129 =>0x81
3.Sint(result) => Sint(-129) => 2

    显然，2与0x81并不相等，因此overflow的值为1

  • Q：bit27，累积饱和位，置为1表示某些指令中发生溢出或饱和，通常与数字信号处理（DSP）有关。

  • J：bit24，指示处理器当前是否处于 Jazelle 状态；这个状态用来直接硬件（CPU）运行java字节码的，但效率始终要打折扣（我们一般不关心）

  • bit[23:20]，保留位。

  • 📌GE[3:0]（4字节）：bit[19:16]，大于或者等于标志位，主要被SIMD指令使用，SIMD 全称为 single instruction multiple data，armv7 提供一条指令同时处理多个寄存器数据，属于扩展指令（一切为了效率...额）

  • E：bit9，指示当前处理器是运行于大端模式还是小端模式，同时，也可以通过设置该位来切换大小端模式。（CPU大小端模式是可以通过设置状态寄存器中的E位来切换的）

  • 📌mask bits，bit[8:6]，屏蔽位 A（abort）、I（interrupt）、F（fast interrupt），分别对应异步终止、中断和快中断，当对应的位为1时，相应的功能被屏蔽，当处理器需要屏蔽中断时，通常就是设置该屏蔽位，当这些位被设置为1时，意味着相应的功能被屏蔽（用户模式下无权修改这些位）。

  • 📌T，bit5，指示处理器当前使用 thumb 指令集还是 arm 指令集，当前位和 J bit决定当前处理器的指令集，是 arm、Thumb、Jazelle 还是 ThumbEE 指令集。J、T的值对应指令集关系为：00-arm指令集，01-Thumb指令集，10-Jazelle指令集，11-ThumbEE指令集（所谓ThumbEE指令集其实是thumb2指令集的加强版，在其基础上针对性的增强了动态生成代码功能的支持）；所以通常如果T位被置为1就可以认为是Thumb指令集(无论是thumb1还是thumb2)，但是如果T位不是1就能否一定说明是arm指令集呢？严格来说是不行的，还需要关注J位是否为1，只有当J位也不为1时才说明当前是arm指令集

  • ⭐️M，bit[4:0],模式位，指示处理器当前位于哪种运行模式下；这个是需要关注的，

    armv7 架构有多种(9种「用户模式在内」模式代表不同的系统操作权限：

    image.png
    ARM-CPU的几种工作模式

    工作在用户模式(User)下的功能是「受限的」，体现在状态寄存器上就是，有些状态寄存器的位是不被允许设置的，此时的CPSR是受限的，被称为APSR（Application Program Status Register）

    image.png

    APSR状态寄存器

    相较于CPSR状态寄存器，APSR寄存器的一些标志位被重新解释或者🈲访问。

    比如bit[26:24] 被修改成了RAZ/SBZP 位，这个位置是一个比较「奇怪」的设定，armv7提供一种方式，可以不遵循传统的「读、改、回写」顺序而使用指令msr直接写APSR的高8bits，尽管基本也不会这出这样的迷之操作（谁会去手动的方式修改这些标志位呢），而只有将RAZ/SBZP位置为0，才能修改成功。（而事实可以认为毫无卵用🐑）

    此外APSR相较于CPSR一个大不同是低2字节，在CPSR中，最后的5bit就是用来控制CPU的模式的。armv7架构有9种不同的工作模式，与对应的M位（bits[4:0]）关系是:

    image.png

    arm架构将3个权限分布在9个模式中，其中用户模式User是最低权限，在User模式下是无法操作这些模式位从而改变当前这个User模式的。User模式位于PL0层，进入到PL1层需要调用svc指令；

    而对于其他本来就处于 PL1 级别权限而言，更改处理器模式可以直接设置 CPSR 中对应的状态位，arm 为访问状态寄存器提供了特定的指令，mrs 和 msr（显然，这样的指令对于User级别权限是没啥用处的，即便User权限能通过指令操作APSR的高5bits，而又有什么什么场景需要手动修改那些值呢）。

    ✏️m:move（移动），r:register（通用寄存器），s:special（特定寄存器）；因此mrs这条指令的意思就是「将特定寄存器中的内容移动到通用寄存器中」，而这个「特定寄存器通常就是指状态寄存器」；而msr则是反过来，「将通用寄存器中的值移动到特定寄存器」，所以这两条指令有点类似对状态寄存器做「读写」操作。

    image.png
    PL1权限下的模式切换引起状态寄存器值的保存

    😴所谓的CPSP中的C表示Current，语义是「当前的~」，而SPSR中的第一个字母S则表示Saved，在处理器发生中断或者异常时，自动从一个模式跳转到另一个模式下，而「原模式」下的 cpsr/apsr 将会被自动保存在「目标模式」的 spsr 中，通常异常处理程序需要获取原模式下的 cpsr 寄存器信息（因为模式的切换并不能打断执行的时序流程），那么模式切换的过程是怎么发生的呢？

    当需要切换模式时：

    1、将需要切换的模式位设置先保存到 spsr 中

    2、执行 movs 指令

    mov 指令的后缀 s 在 arm 中有两种意思,如果目标寄存器为非 pc,它的隐含操作为当前执行的操作结果会更新状态寄存器,如果目标寄存器为 pc,它的隐含操作为将 spsr 中的值赋值给 cpsr,通常使用这个特性执行模式切换

    msr spsr_cxsf, ${target_mode_bits}#target_mode_bits将要设定的目标比特位的值                        
#other codes
movs pc, lr #这里的意思并非是简单的将lr中的值给到pc,因为movs操作的目标寄存器是pc,因此这里的意思是将spsr中的值赋值给cpsr，这是就完成了模式的切换。（因为在target_mode_bits中已经设计好了模式的值，先保存到spsr状态寄存器，然后再保存到cpsr寄存器）

    spsr_cxsf寄存器中带有的后缀cxsf分别表示：

    • c：cpsr[7:0]，控制位域，中断控制、模式位控制位
    • x：cpsr[15:8]，扩展位域
    • s：cpsr[23:16]，状态位域
    • f：cpsr[31:24]，条件标志域，主要包括 N、Z、C等条件标志码

posted on 2021-12-27 23:55  shadow_fan  阅读(1049)  评论(0)    收藏  举报

导航