ARM Assembly(01)-Registers

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无论是高级程序语言还是汇编语言，程序能够访问和操作的只有Register和Memory，本文对ARM汇编中Register的用法进行介绍

ARM中所有寄存器都是32位的(不包括aarch64)，有13个GPRs(General Purpose Registers，通用寄存器)，和几个特殊用途寄存器，如下图

特殊寄存器主要是堆栈寄存器SP(Stack Pointer)、链接寄存器LR(Link Register)、程序计数器PC(Program Counter)，以及两个程序状态寄存器CPSR(Current Program Status Register)和SPSR(Saved Program Status Register)

通用寄存器GPRs

通用寄存器和其他处理器中的寄存器用法类似，都可以用于算数和逻辑指令中，用于暂存数据或地址，在汇编代码中通过”Rn”或者”rn”来标识，n可以是0~15，也就是说SP、LR和PC在汇编代码中可以用SP/sp、 LR/lr、PC/pc表示，也可以用R13/r13、R14/r14、 R15/r15来表示，而R0-R12只能用”R0-R12 r0-r12”表示

这里需要说明一点，R13和R14根据程序上下文，有些时候也可以当作通用寄存器来使用，但是前提是使用者必须清楚的知道SP和LR的作用

MOV

首先介绍第一条ARM汇编指令MOV

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MOV Rn,Op2

该指令将操作数”Op2”的值拷贝到寄存器Rn中。”Op2”可以是以类似#k的形式的立即数，也可以是一个寄存器Rm，Rm和Rn可以是R0到R15之间的任何一个寄存器。例如将立即数0x10拷贝到寄存器R0中

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MOV R0,#0x10

该指令执行后，R0的值为0x10。也可以在寄存器之间进行拷贝，例如

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MOV R0,#0x20
MOV R1,R0

第一条指令将R0赋值为立即数0x20，第二条指令将R0的值拷贝到R1，因此R1的值也是0x20

ADD

ADD指令格式为

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ADD Rd,Rn,Op2

该指令将寄存器Rn与操作数Op2相加，结果放入Rd中，Op2可以是立即数或者寄存器。例如

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MOV R1,#0x18
MOV R2,#0x32
ADD R3,R1,#0x20    ;R3 = (R1 + 0x20) = 0x38
ADD R4,R2,R3       ;R4 = (R2 + R3) = 0x58

SUB

SUB指令的格式为

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SUB Rd,Rn,Op2

该指令将Rn减去Op2的结果放入Rd中，例如

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MOV R0,#0x55
SUN R1,R0,0x20; R1 = (R0 - 0x20) = 0x35

立即数的表示和范围

注意以上指令中，对立即数的使用，都是以”#”开头，表示操作数是一个立即数。ARM汇编支持多种进制数

  • 十六进制：#0x25

  • 十进制：#10

  • 二进制：#0b0001

  • ASCII：#’A’

上文中介绍的指令中，MOV/ADD/SUB的立即数操作数都是比较小的数，既然ARM寄存器都是32位的，能否操作较大的数呢，例如以下代码

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.global _start
_start:
    MOV R0,#99999

使用arm-none-eabi-gcc编译该汇编代码会报以下错误

这是为什么呢？这就要介绍一下ARM汇编代码与二进制机器码的关系，ARM使用RISC指令集架构，所有指令的机器码都是32位的， 而在MOV、ADD、SUB等机器码中，32位里只有8bit是留给操作数使用的，因此立即数的范围是0~255，超过255的数据编译器认为非法

编译以下汇编代码

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.global _start
_start:
    mov r0,#0x99
    mov r1,#25
    add r2,r0,r1

编译后用hexdump查看二进制文件内容，可以看到总共用了12字节，3个word的大小，可以看到确实是每个指令对应32位

程序计数器PC

PC是程序计数器，类似x86中的ip寄存器，都是用来指向下一条将要被执行的指令的地址。当CPU读取并执行完一条指令后，PC会自动增加以指向下一条指令地址。PC寄存器位宽决定了程序能够访问的地址空间范围，32位地址能够访问的地址范围为0x00000000到0xFFFFFFFF共4GB空间。可以想象，64位CPU的PC寄存器一定是64位的

PC既然指向了下一条将要执行的指令地址，那么当CPU刚启动时，第一条指令指向哪里呢？不同的处理器有不同的启动地址，ARM一般以0x00000000为上电复位后的指令起始地址，但是具体芯片的启动地址可能由生产厂商来确定，因为厂商会在片上ROM中存储一些启动代码，而片上ROM的内存映射地址不是确定的

程序状态寄存器CPSR

ARM核心通过CPSR对内部操作进行监控，下图展示了CPSR的bit位划分和作用，灰色阴影部分作为保留位为未来扩展使用

CPSR划分为了4个区域，每8bit为一个区域

  • bit[31:24]：Flags，标志域

  • bit[23:16]：Status，状态域

  • bit[15:8]：Extension，扩展域

  • bit[7:0]：Control，控制域

当前设计中，状态域和扩展域都用做保留位。控制域包括处理器模式、状态和中断掩码。标志域主要是条件标志。处理器模式将在后文中详细介绍

一些ARM处理器可能还有额外的一些bit位，例如在标志域中的”J”bit，这只在Jazelle-enabled处理器中存在。

其中N、Z、C、V是条件标志，用来指示一些条件标志，某些汇编指令可以与这些标志进行关联使用，完成一些条件执行

  • C：进位标志，当bit31发生进位时被置1

  • Z：零标志，算数或者逻辑运算的结果会影响该标志，当结果为0时Z=1。该标志被广泛应用在比较或循环操作中，后续文章会介绍

  • N：负数标志，当有符号数的bit31为负号时，该标志为1

  • V：溢出标志，当有符号数运算结果导致高位数据覆盖了符号位时，该标志为1

  • T：用于指示ARM处于Thumb状态

  • I/F：指示中断使能或者关闭

CPSR另外一个特殊的原因在于很多指令可以增加一个”S”后缀，表示该指令的结果会更新到CPSR中，也就是说，如果指令不带”S”后缀，表示结果不会更新CPSR，例如

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ADD R0,R1,R2    ;不更新CPSR
ADDS R0,R1,R2   ;更新CPSR

堆栈寄存器SP

SP用于暂存数据或寄存器的值到堆栈中，当发生子程序调用或者中断时，常常会用到，这里先不做介绍

链接寄存器LR

LR用于子程序返回时的返回地址记录，主要用于子程序调用过程，先不做介绍