Work With ARM - 浅析ARM的寄存器(1)

Work With ARM - 浅析ARM的寄存器(1)

RISC的目的是将指令简单化和规范化（这并不表示RSIC CPU的指令就少），为了实现这一目标， RISC：
   （1） 规定所有的指令都是固定长度（一般为4个字节，ARM的THUMB模式下为2个字节），这可以使CPU指令预取模块简单化，并使得流水线设计更加简单。
   （2） 所有的运算类操作在寄存器之间进行，很明显可以减少芯片的复杂度，降低成本，并使得指令的执行时间是可以预测的，方便了开发人员。
   （3） 提供专门的内存访问指令在寄存器和内存之间交换数据，这可以减小芯片的复杂度，同时可以优化内存存取，这对流水线影响也是很大的，可以优化流水线的设计。

    RISC这样做的目的是为了降低芯片设计的复杂度，减少芯片体积。这样设计的一个基本依据是“在一个指令系统中，只有20%的指令是常用的”，因此如果将所有指令等同对待去做设计，本身就是一种不公平的设计。正确的做法是对那些20%的常用指令进行优化设计，并优先考虑，而对那些很少用到的80%指令，一般通过那些常用指令的组合来获得，或者将这些工作留给软件开发人员。
    由于RISC的所有操作都在寄存器之间进行，因此所有RISC结构的计算机的显著特点是包含大量的寄存器，比如ARM就有30个以上寄存器：
    （1） 通用寄存器R0 ~ R15
    （2） 状态仅存器CPSR及其不同模式下的影子寄存器
    （3） 不同模式下的影子寄存器

影子寄存器

    影子寄存器的引入是ARM的一个特点（就我目前的知识，X86，MIPS和PowerPC好像都没有）。我们知道，ARM有16个通用寄存器，这16个通用寄存器在指令中使用4个bit来标识，但是在不同的模式下，同样的4个bit 指向不同的物理寄存器，这些不同的物理寄存器就被称之为影子寄存器。不同的通用寄存器的影子寄存器个数也不相同，有的没有，有的只有1个，有的多达5个。要记住一点：所有的影子寄存器都是一个实际存在的物理寄存器。
    ARM CORE是一个非常紧凑的设计，影子寄存器的引入就是这种设计的表现。通过引入影子寄存器，指令可以重复使用相同的寄存器编码，但是在不同模式下，这些编码对应不同的物理寄存器。比如Abort模式下的R13就同用户模式下的R13不同，虽然它们编码一样，但是实际上对应的是不同的物理寄存器（可以将CPSR的模式域当作片选）。
    我们可以计算一下ARM的通用寄存器数目
    （1） 1个状态寄存器
    （2） 5个异常模式下的状态寄存器的影子寄存器
    （3）16个通用寄存器R0 ~ R15
    （4）10个异常模式下的R13和R14的影子寄存器
    （5） 5个FIQ模式下的R8 ~ R12的影子寄存器

    总共是1 + 5 + 16 + 10 + 5 = 37个寄存器，这个数目同X86相比要多很多。

    由于影子寄存器的编码同其所Banked的寄存器的编码是一样的，因此象“MOV R0, R13”这样的指令，在不同的模式下，访问的是不同的物理寄存器R13，这意味我们在异常模式下是不能访问正常意义上的R13的，这对一般的寄存器可能关系不大。
    但是，对状态寄存器CPSR而言，这是很恼人的，因为要切换CPU的状态，只能通过修改状态寄存器CPSR来进行，对CPSR的影子寄存器的修改并不能影响CPSR本身，这也就是为什么会有MOV和MOVS，SUB和SUBS的原因。但是，象TEQ，BEQ等这样的比较指令修改的是CPSR的内容，而不是该模式下CPSR影子寄存器的内容。这也是CPSR同一般Rx不一样的地方：CPSR对所有异常模式都是可见的，只不过这种可见性并不表示指令可以直接读取或修改CPSR的内容，更准确的说，这种可见性是对指令系统（如TEQ， BEQ等条件判断指令）而言的，只能通过特殊的指令来影响CPSR中的相关域，而不能直接读取或修改CPSR，因此CPSR对程序员的是不可见的。

    引入影子寄存器的另外一个目的是当中断或异常产生时，CPU会将当前“CPU的状态”保存在影子寄存器中。从CPU角度看，它的“状态”包括：
    （1）  PC（也就是R15）值
    （2）  CPSR的值

    您也许认为R0等通用寄存器也是状态，从某种意义上说您是对的。但是那些不是“CPU的状态”，它们是“应用的状态”。当中断或异常产生后，CPU并不“Care”它们，CPU只是：
    （1） PC值被保存在当前模式下的R14中
    （2） CPSR值被保存在当前模式下的影子寄存器中
     保存CPU的状态是一种廉价的操作，但是要保存应用的状态可就很昂贵了，因为至少有13个寄存器(R0 ~ R12)需要保存，为了加快这种操作，ARM的内存访问指令可以将一组寄存器的内容保存到内存中，反之亦然。