关于ARM的PC指针（什么时候PC+8，PC+4，PC-4,PC-8）

Posted 2022-09-16 奔跑的路

要理解PC指针，首先就要好好了解LR指针

连接寄存器LR（r14）：用来保存和恢复PC寄存器的内容，它有两个特殊功能。

    （1）保存子程序返回地址。使用BL或BLX时，跳转指令自动把返回地址放入r14中；子程序通过把r14复制到PC来实现返回，通常用下列指令之一：
                        MOV PC, LR 
                        BX LR

             通常子程序这样写，保证了子程序中还可以调用子程序。
                         stmfd sp!, lr
                         ……
                         ldmfd sp!, pc

    （2）当异常发生时，异常模式的r14用来保存异常返回地址，将r14如栈可以处理嵌套中断。

程序计数器r15（PC）：PC是有读写限制的。当没有超过读取限制的时候，读取的值是指令的地址加上8个字节，由于ARM指令总是以字对齐的，故bit[1:0]总是00。当用str或stm存储PC的时候，偏移量有可能是8或12等其它值。在V3及以下版本中，写入bit[1:0]的值将被忽略，而在V4及以上版本写入r15的bit[1:0]必须为00，否则后果不可预测。

知道PC寄存器和LR寄存器功能以后，再了解一下ARM处理器的三级流水线和多级流水线

首先，对于ARM7对应的流水线的执行情况，如下面这个图所示：

从图中可以看出，一条汇编指令的运行有三个步骤，取指、译码、执行，当第一条汇编指令取指完成后，紧接着就是第二条指令的取指，然后第三条...如此嵌套

其实很容易看出，第一条指令：

add r0, r1,$5

取指完成后，PC就指向了第二条指令，此时PC=PC+4

当第一条指令译码完成以后，此时PC=PC+8

所以第一条指令开始执行时，PC值已经加了8

所以必须记住这个前提，在arm中，每次该指令执行时，其实这时的PC值是PC=PC+8

而且这个前提也同样适合多级流水线，原因就不解释了

接下来谈谈我们在arm汇编时，什么时候需要PC-4, PC-8, PC什么都不减

这个取决于是在正常程序的跳转还是发生异常：

如果是使用BL执行了正常程序的跳转，那么执行这条BL指令时，由于是正常的跳转指令，所以cpu会将返回地址存放在LR中，即当前指令地址加4，当从子程序跳转回来的时候，那么就需要将保存在LR寄存器中的值恢复给PC寄存器，

mov PC, LR     这样的指令返回

IRQ异常发生时，因为这个异常是在指令执行时候发生的，PC的值等于当前执行指令加8，然后将这个值保存在LR中。但是LR寄存器中保存的是PC+8，指向的是后面的第二条指令，如果不进行减4处理，将会漏执行一条指令，所以PC恢复的时候就需要LR减4，所以正常从子程序返回的时候会使用如：

SUBS PC, LR,#4     返回到当前指令的下一条指令

未定义指令异常时，因为这个异常发生在指令译码阶段，所以，此时PC的值就是未定义指令加4，然后保存到LR(参考流水线图)；因为该指令未定义，所以返回时就不应该返回到这条未定义指令，而是返回到它的下一条指令，R14中保存的刚好就是下一条指令的地址，所以就不用计算了，直接将R14赋值给PC就行了

预取指令异常是在流水线的执行阶段时才进入异常，所以PC的值是当前执行指令地址加8，所以返回时应该返回到下一条指令，所以PC恢复的时候就需要R14减4

数据中止异常，这个异常是在本指令执行完成后才发生的，表示当前存储器的访问不能完成，从流水线图可以看出，当第一条指令执行完成时，当前PC值已经指向了第一条指令地址加12的地址，LR中保存的其实是第四条指令的地址了，所以从异常返回时，需要从第一条指令的下一条指令（第二条指令）开始执行，所以PC恢复的时候就需要R14减8

下面简单总结一下：

1.SWI和和未定义指令异常中断的返回:
指令地址
A      PC-8    当前指令为SWI或未定义指令 此时发生中断.PC的值还没有更新.(不需要执行完此指 令，就跳到中断了)
A+4    PC-4  中断时处理器将PC-4保存到LR
A+8    PC

返回时,从发生中断的指令A(PC-8)的下一条指令A+4(PC-4)处开始执行,所以直接
把LR的值赋给PC就行了,具体指令为MOV PC,LR  @(PC=A+4=LR)

2,IRQ和FIQ异常中断处理的返回:
指令地址  对应于PC
A        PC-8     执行此指令完成后(!)查询IRQ及FIQ,如果有中断请求
                          则产生中断. .(需要执行完此指 令，再跳到中断)

A+4      PC-4
A+8      PC

(此时PC的值已经更新,指向A+12.将当前PC-4(即A+8)
保存到LR.返回时,要接着执行A+4(LR-4)处的指令,所以返回指令为
SUBS PC, LR,#4 @(PC=A+4=LR-4)

3,指令预取中止异常中断处理的返回:
指令地址
A    PC-8          执行本指令时发生中断,  
A+4  PC-4      处理器将A+4(PC-4)保存到LR. 
A+8   PC

返回时,发生指令预取中止的指令A(PC-8)处重新执行(A处的指令要重新执行),所以返回指令为
SUBS PC, LR,#4  @(PC=A=LR-4)

4,数据访问中止异常中断处理的返回:

指令地址
A         PC-8  本指令访问有问题的数据,产生中断时,PC的值已经更新   
A+4       PC-4  中断发生时PC=A+12,处理器将A+8(PC-4)保存到LR.
A+8       PC

返回时,要返回到A处继续执行,所以指令为SUBS PC,  LR,#8   @(PC=A=LR-8)

(A处的指令要重新执行),

5.正常程序跳转处理返回

使用BL跳转时，它会自动将返回地址装入LR中，即将当前PC-4存入LR中，返回时不用对LR进行加减操作

指令地址 

对应于PC
A          PC-8    (A处的指令不要重新执行)
A+4      PC-4
A+8      PC

mov PC, LR @(PC=A+4=LR)  现在LR的值就是A+4的地址