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ARMv8寄存器的介绍

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ARMv8寄存器的介绍

寄存器是CPU的内部组成单元，是CPU运算时取指令和数据最快的地方。它可以用来暂存指令、数据和地址。在CPU的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序计数器（PC）。CPU的算术逻辑部件中，包含的寄存器有累加器（ACC），具体的有：

  • 高速访问：寄存器是CPU内部最快的存储单元，比主存（RAM）和缓存（Cache）访问速度更快，通常在一个时钟周期内完成读写操作。
  • 减少等待时间：频繁使用寄存器进行数据存储和操作，减少了对主存的访问，避免了长时间的等待，从而提高了处理速度。
  • 简化指令执行：寄存器直接存储操作数和计算结果，使指令执行更简便，不需要频繁从内存读取数据，简化了指令的执行流程。
  • 并行处理：寄存器支持多条指令的并行执行，通过
  • 避免数据相关性问题，提高指令级并行性和处理器的整体吞吐量。
  • 减少总线冲突：使用寄存器操作数据可以减少总线访问频率，降低总线冲突，提高系统的整体性能和响应速度。

寄存器结构

每个寄存器由多个触发器组成，输入数据通过写使能信号控制是否写入新值。读出数据通过读口送出。当写使能（Write Enable）为0时，时钟边沿到来时输出不变；当写使能信号为1时，时钟边沿到来时输出开始变为输入。若每个时钟边沿都写入，则不需要Write Enable信号。

寄存器组结构

寄存器组由多个寄存器组成，每个寄存器都可以通过编号来定位。N位编号可以表示2的N次方个寄存器，而M个寄存器的位数则是log M的上取整。

ARMv8中有34个寄存器，包括31个64 位通用寄存器、1个64 位的程序计数（Program Counter， PC）指针寄存器、栈指针（StackPointer， SP）寄存器以及异常链接寄存器（Exception Link Register， ELR），一个处理器状态寄存器PSTATE来表示当前的处理器状态(processor state),

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1、通用寄存器

AArch64执行状态支持31个64位的通用寄存器，分别是X0-X30寄存器，而AArch32状态支持16个32位的通用寄存器。除用于数据运算和存储之外，通用寄存器还可以在函数调用过程中起到特殊作用，ARM64体系结构的函数调用标准和规范对此有所约定，如下图所示。

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  • X0-X7 用于参数传递
  • X9-X15 在子函数中使用这些寄存器时，直接使用即可, 无需save/restore. 在汇编代码中x9-x15出现的频率极低 在子函数中使用这些寄存器时，直接使用即可, 无需save/restore. 在汇编代码中x9-x15出现的频率极低
  • X19-X29 在callee子函数中使用这些寄存器时，需要先save这些寄存器，在退出子函数时再resotre 在callee子函数中使用这些寄存器时，需要先save这些寄存器，在退出子函数时再resotre
  • X8, X16-X18, X29, X30 这些都是特殊用途的寄存器 – X8： 用于返回结果 – X16、X17 ：进程内临时寄存器 – X18 ：resrved for ABI – X29 ：FP（frame pointer register） – X30 ：LR

在 AArch64 状态下，使用 X（如 X0、 X30 等）表示 64 位通用寄存器。另外，还可以使用

W 来表示低 32 位的数据，如 W0 表示 X0 寄存器的低 32 位数据， W1 表示 X1 寄存器的低 32

位数据，

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2、PSTATE寄存器

AArch64 体系结构使用 PSTATE 寄存器来表示当前处理器状态（processor state），PSTATE的主要字段

  • N（Negative） ：负数标志位，结果为负数时置1。
  • Z（Zero） ：零标志位，结果为零时置1。
  • C（Carry） ：进位标志位，算术运算发生进位时置1。
  • V（Overflow） ：溢出标志位，算术运算发生溢出时置1。
  • EL（Exception Level） ：异常级别，指示当前的异常处理级别。
  • SP（Stack Pointer Select） ：栈指针选择，指示当前使用的栈指针（SP_EL0或SP_ELx）。

3、特殊寄存器

ARMv8架构中还有一些专用寄存器，用于特定功能和操作。主要的专用寄存器包括：

  1. SP_ELx（Stack Pointer Registers for Exception Levels） ：每个异常级别都有独立的栈指针寄存器（SP_EL0, SP_EL1, SP_EL2, SP_EL3）。
  2. ELR_ELx（Exception Link Registers for Exception Levels） ：每个异常级别都有独立的异常链接寄存器（ELR_EL1, ELR_EL2, ELR_EL3），用于存储异常返回地址。
  3. SPSR_ELx（Saved Program Status Registers for Exception Levels） ：每个异常级别都有独立的保存程序状态寄存器（SPSR_EL1, SPSR_EL2, SPSR_EL3），用于保存异常发生时的PSTATE值。

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4、系统寄存器

系统寄存器用于控制和管理CPU的操作模式、特权级别、内存管理、中断处理等关键系统功能。主要的系统寄存器包括：

  1. SCTLR_ELx（System Control Register） ：系统控制寄存器，用于控制和配置处理器的系统级特性，如内存保护、缓存策略等。
  2. TTBR0_ELx（Translation Table Base Register） ：转换表基地址寄存器，用于定义页表的基地址，支持内存地址转换和虚拟内存管理。
  3. MAIR_ELx（Memory Attribute Indirection Register） ：内存属性指示寄存器，用于定义不同内存区域的属性，如缓存策略、访问权限等。
  4. TCR_ELx（Translation Control Register） ：转换控制寄存器，用于控制地址转换的行为和特性，如地址范围、页大小等。
  5. ESR_ELx（Exception Syndrome Register） ：异常综合症寄存器，用于存储异常发生时的状态信息，帮助调试和错误处理。

程序可以通过 MSR 和 MRS 指令访问系统寄存器。

mrs X0, TTBR0_EL1 //把 TTBR0_EL1 的值复制到 X0 寄存器
msr TTBR0_EL1, X0 //把 X0 寄存器的值复制到 TTBR0_EL1

参考：

更新于 2025-03-08
 嵌入式硬件, 单片机
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