令状态寄存器访问指令（MRS,MSR）

Posted 2020-11-04 konglingbin

ARM中有两条指令用于在状态寄存器和通用寄存器之间传送数据。

针对32位的ARM处理器，状态寄存器就是一个32位长的寄存器。每个位的含义如下图：

 

分成了4部分：

1，条件标志位

N(Negative), Z(Zero), C(Carry), V(Verflow)统称为条件标志位。ARM指令可以根据CPSR中的这些条件标志位来选择性的执行。

2，Q标志位

ARM v5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。

3，控制位

I, F, T以及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。

下表示控制位M[4:0]的含义：

M[4：0]	处理器模式	可访问的寄存器
0b10000	用户模式	PC，CPSR, R14～R0
0b10001	FIQ模式	PC，CPSR, SPSR_fiq，R14_fiq，R8_fiq, R7～R0
0b10010	IRQ模式	PC，CPSR, SPSR_irq，R14_irq，R13_irq,R12～R0
0b10011	管理模式	PC，CPSR, SPSR_svc，R14_svc，R13_svc,R12～R0
0b10111	中止模式	PC，CPSR, SPSR_abt，R14_abt，R13_abt, R12～R0
0b11011	未定义模式	PC，CPSR, SPSR_und，R14_und，R13_und, R12～R0
0b11111	系统模式	PC，CPSR（ARMv4及以上版本）， R14～R0

4，保留位
 用于将来ARM版本的扩展。

 

状态寄存器访问指令仅有两天：

MRS: 状态寄存器到通用寄存器的传送指令。

MSR: 通用寄存器到状态寄存器的传送指令。

 

MRS指令介绍

MRS的指令编码格式：

 指令的语法格式：

MRS{<cond>}<Rd>, CPSR

MRS{<cond>}<Rd>, SPSR

其中：

<cond>为指令执行的条件码。当<cond>忽略时指令为无条件执行。

<Rd>为目标寄存器。

 

指令操作的伪代码：

C代码  

1. if ConditionPassed(cond) then   
2.     if R == 1 then  
3.         Rd = SPSR   
4.     else  
5.         Rd = CPSR  

 

MSR指令使用的场合：

• 通常通过“读取-修改-写回”操作序列修改状态寄存器的内容。MRS指令用于将状态寄存器的内容读到通用寄存器中。
• 当异常允许嵌套时，需要在进入异常中断之后，嵌套中断发生之前保存当前处理器模式对应的SPSR。这时需要先通过MRS指令读出SPSR的值，在用其他指令将SPSR值保存起来。
• 在进程切换时也需要保存当前状态寄存器的值。

MSR指令介绍

MRS的指令编码格式：

这里分为两种格式，一种是原操作数为通用寄存器， 另一种是源操作数是立即数。

 

指令的语法格式：

C代码  

1. MSR{<cond>} CPSR_<fields>, #<immediate>  
2. MSR{<cond>} CPSR_<fields>, <Rm>  
3. MSR{<cond>} CPSR_<fields>, #<immediate>  
4. MSR{<cond>} CPSR_<fields>, <Rm>  

 其中：

<cond>为指令执行的条件码。当<cond>忽略时指令为无条件执行。

<fields>设置状态寄存器中需要操作的位。状态寄存器的32位可以分为4个8位的域：

    f: 指示bits[31 : 24]，又名条件标志位域

    s: 指示bits[23 : 16]，又名状态标志位域

    x: 指示bits[15 : 8]， 又名扩展位域

    c: 指示bits[7 : 0]，又名控制位
<immediate>为将要传送到状态寄存器中的立即数，该立即数的计算方式可以去照看<ARM+Architecture+Reference+Manual.pdf>

<Rm>寄存器包含将要传送到状态寄存器中的数据。

 

指令的操作伪代码：

 

指令的使用：
MSR指令通常用于恢复状态寄存器的内容或者改变寄存器的内容。

当退出异常中断处理器程序时，如果事先保存了状态寄存器的内容通常通过MSR指令将事先保存的状态寄存器内容恢复到状态寄存器中。

当需要修改状态寄存器的内容时，通过“读取-修改-写回”指令序列完成。写回操作也是通过MSR指令完成的。

 

处理器切换到特权模式，使用将要修改某个位域的示例：

C代码  

1. mrs r0, cpsr ;读取cpsr中的值  
2. bic r0, r0, #0x1F ;修改，去除当前处理器模式  
3. orr r0, r0, #0x13 ;修改，设置特权模式  
4. msr cpsr_c, r0 ;写回，仅仅修改CPRS中的控制位  
7. 1.MSR和MRS指令介绍

8.  MRS 指令:  对状态寄存器CPSR和SPSR进行读操作。通过读CPSR可以获得当前处理器的工作状态。读SPSR寄存器可以获得进入异常前的处理器状态（因为只有异常模式下有SPSR寄存器）。

   MSR指令:    对状态寄存器CPSR和SPSR进行写操作。与MRS配合使用，可以实现对CPSR或SPSR寄存器的读-修改-写操作，可以切换处理器模式、或者允许/禁止IRQ/FIQ中断等。

   2.CPSR 程序状态寄存器(current program status register)

   如图所示，ARM每种工作模式除R0~R15共16个寄存器外，还有第17个寄存器CPSR,叫做 当前程序状态寄存器 

   

   CPSR寄存器格式:

   

   在CPSR寄存器中主要用到了控制位，每个标志位如下图所示：

   

    

   3.使用MSR指令写入数据

   例:    

   msr cpsr_c, #0xd2       @0xd2=1100 0010//禁止中断使能,进入中断模式
   
   msr cpsr_c, #0x53        @0x53=0101 0011//开IRQ中断，禁止FIQ中断，进入ARM状态，设为管理(svc32)模式

   其中cpsr_c是因为CPSR有4个8位区域：

   • C 控制域屏蔽字节([7:0])
   • X 扩展域屏蔽字节([15:8])
   • S 状态域屏蔽字节([23:16])
   • F 标志域屏蔽字节([31:24])

   所以cpsr_c表示的是CPSR控制位、

   4.使用MRS和MSR来设置2440位管理模式,实例:

   mrs r0,cpsr         //读状态寄存器cpsr的数据到r0中
   
   bic  r0,r0,#0x1f    //对r0低5位进行清0，清除模式位
   orr    r0,r0,#0xd3  //低8位或(110 10011), 设为管理(svc32)模式,禁止IRQ和FIQ中断
   msr    cpsr,r0      //写入状态寄存器cpsr，更新。

    

   5.SPSR程序保存状态寄存器(saved program status register)

   SPSR用于保存CPSR的状态，以便异常返回后恢复异常发生时的工作状态。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。在异常中断退出时，可以用SPSR来恢复CPSR。

   (注意:用户user模式和系统system模式不是异常中断模式，所以他没有SPSR。当用户在用户模式或系统模式访问SPSR，将产生不可预知的后果。)

    在异常模式返回时,如果指令带有S后缀（除了比较指令以外），同时又以PC为目标寄存器进行操作，则操作的同时从SPSR恢复CPSR。以下都是可以恢复CPSR寄存器