原标题：ARM体系结构之寄存器详解

ARM体系结构中的寄存器是处理器执行指令、管理数据和控制流程的核心组件。其设计兼顾了高性能、低功耗和灵活性，不同ARM架构版本（如ARMv7、ARMv8/ARM64）的寄存器配置有所差异。以下从通用寄存器、特殊功能寄存器、状态寄存器、系统寄存器四个维度展开详解，并对比32位与64位架构的差异。

一、通用寄存器（General-Purpose Registers, GPRs）

通用寄存器用于存储数据、地址和中间计算结果，是程序执行中最频繁访问的寄存器组。

1. ARMv7（32位架构）

• 数量：16个（R0-R15），其中部分有特殊用途。

• 核心寄存器：

• R0-R3：常用于函数参数传递和返回值。

• R12：内部临时寄存器（IP，Intra-Procedure-call scratch register）。

• R0-R12：通用数据寄存器，无固定用途，由程序员自由分配。

• R13（SP）：栈指针（Stack Pointer），指向当前线程的栈顶。

• R14（LR）：链接寄存器（Link Register），存储子程序返回地址（BL指令自动更新）。

• R15（PC）：程序计数器（Program Counter），指向下一条要执行的指令地址。

2. ARMv8（64位架构/AArch64）

• 数量：32个（X0-X30），另加32个32位别名（W0-W30）。

• 核心寄存器：

• X0-X28：通用64位寄存器，W0-W28为其低32位别名。

• X29（FP）：帧指针（Frame Pointer），用于栈帧管理（可选，编译器可优化省略）。

• X30（LR）：链接寄存器，功能同ARMv7的R14。

• XZR/WZR：零寄存器（Zero Register），读操作返回0，写操作被忽略。

• SP（X31）：栈指针，与ARMv7的R13功能一致，但64位模式下独立编号。

3. 关键差异

• 数量扩展：ARMv8从16个增加到32个，支持更复杂的计算和函数调用。

• 64位支持：X寄存器可存储64位数据，W寄存器提供32位兼容。

• 帧指针：ARMv8明确支持FP，而ARMv7中需通过R11或自定义寄存器实现。

二、特殊功能寄存器（Special-Purpose Registers）

用于控制处理器行为或访问特定硬件功能。

1. 程序状态寄存器（PSR, Program Status Register）

• 组成：分为CPSR（当前PSR）和SPSR（保存的PSR，用于异常处理）。

• 核心标志位：

• N（Negative）：结果为负时置1。

• Z（Zero）：结果为零时置1。

• C（Carry）：进位或借位标志。

• V（Overflow）：算术溢出时置1。

• T（Thumb状态）：ARMv7中指示当前是否处于Thumb指令集模式。

• M[4:0]（模式位）：定义处理器模式（如用户模式、FIQ模式等）。

• ARMv8差异：

• PSR拆分为PSTATE（程序状态）和独立的系统寄存器（如DAIF控制中断屏蔽）。

• 标志位通过MSR/MRS指令访问，而非直接操作PSR。

2. 程序计数器（PC）

• 功能：指向下一条指令地址，ARMv7中为R15，ARMv8中为X31（但通常不直接操作）。

• 分支指令：

• B（无条件跳转）、BL（跳转并保存返回地址到LR）。

• BX（跳转并切换Thumb/ARM状态）、BLX（跳转+切换状态+保存返回地址）。

3. 栈指针（SP）

• 功能：指向当前栈顶，支持压栈（PUSH/STR）和弹栈（POP/LDR）。

• ARMv8优化：

• 支持多个栈指针（如EL1特权级使用SP_EL1），实现特权级隔离。

三、状态寄存器与异常处理

ARM通过状态寄存器管理异常（中断、未定义指令等）和特权级。

1. 异常模式（ARMv7）

• 7种模式：

• 用户模式（User）：普通应用程序运行模式，无特权操作。

• FIQ/IRQ模式：快速中断/普通中断处理模式，有独立寄存器组（R8-R12_fiq/irq）。

• 管理模式（Supervisor）：操作系统内核运行模式（如svc指令触发）。

• 中止模式（Abort）：内存访问错误时进入。

• 未定义模式（Undefined）：执行未定义指令时进入。

• 系统模式（System）：运行特权任务，寄存器组与用户模式共享。

• 寄存器组切换：

• 进入异常时，自动保存CPSR到SPSR，并切换到异常模式对应的寄存器组。

2. ARMv8异常处理

• 4种异常级别（EL0-EL3）：

• EL0：用户空间（应用程序）。

• EL1：操作系统内核（如Linux）。

• EL2：虚拟机监控器（Hypervisor）。

• EL3：安全监控器（Secure Monitor，如TrustZone）。

• 系统寄存器：

• SPSR_ELx：保存异常返回时的PSTATE。

• ELR_ELx：保存异常返回地址（类似ARMv7的LR）。

• DAIF：控制调试、SError、IRQ、FIQ的屏蔽状态。

四、系统寄存器（ARMv8新增）

ARMv8引入大量系统寄存器，用于控制处理器特性（如缓存、MMU、安全监控）。

1. 关键系统寄存器

• SCTLR_EL1：系统控制寄存器，配置MMU、缓存、对齐检查等。

• TTBR0_EL1/TTBR1_EL1：页表基址寄存器，定义虚拟地址到物理地址的映射。

• MAIR_EL1：内存属性间接寄存器，定义内存区域的访问权限（如设备、缓存策略）。

• ESR_ELx：异常综合寄存器，记录异常原因（如数据中止、SVC调用号）。

2. 访问方式

• MRS/MSR指令：

MRS X0, SCTLR_EL1    ; 读取系统寄存器到通用寄存器 MSR SCTLR_EL1, X0    ; 将通用寄存器值写入系统寄存器

• 特权级限制：低特权级（如EL0）无法访问高特权级寄存器。

五、寄存器使用最佳实践

1. 通用寄存器分配：

• 优先使用R0-R3（ARMv7）或X0-X7（ARMv8）传递参数，减少栈操作。

• 避免随意覆盖LR和SP，函数返回前需恢复。

2. 异常处理：

• ARMv7中，FIQ模式有独立寄存器组，适合低延迟中断。

• ARMv8中，通过ERET指令从异常返回，需正确设置SPSR_ELx和ELR_ELx。

3. 64位迁移：

• ARMv8中，32位计算需显式使用W寄存器（如ADD W0, W1, W2）。

• 零扩展与符号扩展指令（如SXTB、UXTH）需谨慎使用。

六、总结

ARM寄存器设计体现了精简指令集（RISC）的核心思想：固定长度指令、负载均衡的寄存器组、明确的硬件控制。理解寄存器布局和行为是优化性能（如减少内存访问）、调试低级代码（如中断处理）和迁移架构（如从ARMv7到ARMv8）的关键。