ARM 内核SP，LR，PC寄存器

Posted 2020-10-07

    深入理解ARM的这三个寄存器，对编程以及操作系统的移植都有很大的裨益。

    1、堆栈指针r13（SP）：每一种异常模式都有其自己独立的r13，它通常指向异常模式所专用的堆栈，也就是说五种异常模式、非异常模式（用户模式和系统模式），都有各自独立的堆栈，用不同的堆栈指针来索引。这样当ARM进入异常模式的时候，程序就可以把一般通用寄存器压入堆栈，返回时再出栈，保证了各种模式下程序的状态的完整性。

    2、连接寄存器r14（LR）：每种模式下r14都有自身版组，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。

    3、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。

 

    堆栈是一种具有“后进先出”（LIFO---Last In First Out）特殊访问属性的存储结构。堆栈一般使用RAM 物理资源作为存储体，再加上LIFO 访问接口实现。

                                    


    堆栈的实现方法：
    在随机存储器区划出一块区域作为堆栈区，数据可以一个个顺序地存入（压入）到这个区域之中，这个过程称为‘压栈’（push ）。通常用一个指针（堆栈指针 SP---Stack  Pointer）实现做一次调整，SP  总指向最后一个压入堆栈的数据所在的数据单元（栈顶）。从堆栈中读取数据时，按照堆栈 指针指向的堆栈单元读取堆栈数据，这个过程叫做 ‘弹出’（pop ），每弹出一个数据，SP 即向相反方向做一次调整，如此就实现了后进先出的原则。

    堆栈是计算机中广泛应用的技术，基于堆栈具有的数据进出LIFO特性，常应用于保存中断断点、保存子程序调用返回点、保存CPU现场数据等，也用于程序间传递参数。
    ARM处理器中通常将寄存器R13作为堆栈指针（SP）。ARM处理器针对不同的模式，共有 6 个堆栈指针（SP），其中用户模式和系统模式共用一个SP，每种异常模式都有各自专用的R13寄存器（SP）。它们通常指向各模式所对应的专用堆栈，也就是ARM处理器允许用户程序有六个不同的堆栈空间。这些堆栈指针分别为R13、R13_svc、R13_abt、R13_und、R13_irq、R13_fiq，如表2-3    堆栈指针寄存器所示。 

    为了更准确地描述堆栈，根据“压栈”操作时堆栈指针的增减方向，将堆栈区分为‘递增堆栈’（SP 向大数值方向变化）和‘递减堆栈’（SP 向小数值方向变化）；又根据SP 指针指向的存储单元是否含有堆栈数据，又将堆栈区分为‘满堆栈’（SP 指向单元含有堆栈有效数据）和‘空堆栈’（SP 指向单元不含有堆栈有效数据）。
    这样两两组合共有四种堆栈方式——满递增、空递增、满递减和空递减。
     ARM处理器的堆栈操作具有非常大的灵活性，对这四种类型的堆栈都支持。
    ARM处理器中的R13被用作SP。当不使用堆栈时，R13 也可以用做通用数据寄存器。