2.1　CPU內(nèi)部寄存器的分類及ARM Cortex-M處理器的主要寄存器

實(shí)時操作系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需要對CPU的寄存器進(jìn)行頻繁操作。本書采用的是基于ARM Cortex-M系列內(nèi)核的MCU。理解和掌握其CPU的主要寄存器，熟悉各個寄存器的含義和操作方式，是深入理解實(shí)時操作系統(tǒng)的必要前提條件。

2.1.1　CPU內(nèi)部寄存器的分類

以軟件開發(fā)工程師視角來看，從底層學(xué)習(xí)一個CPU，理解其內(nèi)部寄存器用途是重要一環(huán)。計(jì)算機(jī)所有指令運(yùn)行均由CPU完成，CPU內(nèi)部寄存器負(fù)責(zé)信息暫存，其數(shù)量與處理能力直接影響CPU的性能。本節(jié)先從一般意義上闡述寄存器基礎(chǔ)知識及相關(guān)基本概念，第2.1.2節(jié)介紹ARM Cortex-M微處理器的內(nèi)部寄存器。

從共性知識角度及功能來看，CPU內(nèi)至少應(yīng)該有數(shù)據(jù)緩沖寄存器、堆棧指針寄存器、程序指針寄存器、程序狀態(tài)寄存器及其他功能寄存器。

1.數(shù)據(jù)緩沖寄存器

CPU內(nèi)數(shù)量最多的寄存器是數(shù)據(jù)緩沖寄存器，名字用寄存器的英文“Register”的首字母加數(shù)字組成，如R0、R1、R2等。不同的CPU，數(shù)據(jù)緩沖寄存器的種類也不同，如8086中的通用寄存器有8個，分別是AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI；Intel X86系列的通用寄存器也有8個，分別是EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、ESI、EDI。

2.堆棧指針寄存器

在計(jì)算機(jī)編程中，有全局變量與局部變量的概念。從存儲器角度來看，對一個具有獨(dú)立功能的完整程序來說，全局變量具有固定的地址，每次讀寫都是那個地址。而在一個子程序中開辟的局部變量則不同，用RAM中的哪個地址是不固定的，采用后進(jìn)先出（Last In First Out，LIFO）原則使用一段RAM區(qū)域，這段RAM區(qū)域被稱為棧區(qū)[1]。它有個棧底的地址，是一開始就確定的，當(dāng)有數(shù)據(jù)進(jìn)棧或出棧時，地址會自動連續(xù)變動[2]，不然就放到同一個存儲地址中。CPU中需要有個地方保存這個不斷變化的地址，這個地方就是堆棧指針寄存器（通常稱為堆棧指針）。

3.程序指針寄存器

計(jì)算機(jī)的程序存儲在存儲器中，CPU中有個寄存器指示將要執(zhí)行的指令在存儲器中的位置，這就是程序指針寄存器。在許多CPU中，它的名字叫作程序計(jì)數(shù)寄存器，它負(fù)責(zé)告訴CPU將要執(zhí)行的指令在存儲器的什么地方。

4.程序狀態(tài)寄存器

CPU在進(jìn)行計(jì)算過程中，會出現(xiàn)諸如進(jìn)位、借位、結(jié)果為0、溢出等情況，CPU內(nèi)需要有個地方把它們保存下來，以便下一條指令結(jié)合這些情況進(jìn)行處理，這類寄存器就是程序狀態(tài)寄存器。不同的CPU，其名稱也不同，有的叫作標(biāo)志寄存器，有的叫作程序狀態(tài)寄存器等，大同小異。在這類寄存器中，常用單個英文字母表示其含義。例如，N表示有符號運(yùn)算中結(jié)果為負(fù)（Negative），Z表示結(jié)果為零（Zero），C表示有進(jìn)位（Carry），V表示溢出（Overflow）等。

5.其他功能寄存器

不同的CPU，除了具有數(shù)據(jù)緩沖寄存器、堆棧指針、程序指針寄存器、程序狀態(tài)寄存器（也稱為程序狀態(tài)字寄存器），還有表示浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、中斷屏蔽[3]等寄存器。

2.1.2　ARM Cortex-M處理器的主要寄存器

ARM Cortex-M處理器的寄存器主要有R0～R15及三個特殊功能寄存器，如圖2-1所示。

其中R0～R12為通用寄存器，R13為堆棧指針（Stack Pointer，SP），R14是連接寄存器，R15為程序計(jì)數(shù)（Program Counter，PC）寄存器（簡稱程序計(jì)算器）。特殊功能寄存器有預(yù)定義的功能，而且必須通過專用的指令來訪問。

1.通用寄存器R0～R12

R0～R12是最具“通用目的”的32位通用寄存器，用于數(shù)據(jù)操作，復(fù)位后初始值為隨機(jī)值。32位的Thumb2[4]指令可以訪問所有通用寄存器，但絕大多數(shù)16位Thumb指令只能訪問R0～R7。因而R0～R7又被稱為低位寄存器，所有指令都能訪問它們。R8～R12被稱為高位寄存器，只有很少的16位Thumb指令能訪問它們，32位的指令則不受限制。在Mbed OS中，R12常用來存放函數(shù)地址。

2.堆棧指針R13（SP）

R13是堆棧指針SP。在ARM Cortex-M處理器中共有兩個堆棧指針：主堆棧指針MSP和進(jìn)程堆棧指針PSP。若用戶用到其中一個，另一個必須用特殊指令（MRS、MSR指令）來訪問，因此任一時刻只能使用其中一個。MSP是CPU復(fù)位后默認(rèn)使用的堆棧指針，它可由操作系統(tǒng)內(nèi)核、中斷服務(wù)程序及所有需要特權(quán)訪問的應(yīng)用程序代碼來使用。PSP用于常規(guī)的應(yīng)用程序代碼（不處于中斷服務(wù)程序中時），該堆棧一般供用戶的應(yīng)用程序代碼使用。需要注意的是，并不是每個應(yīng)用程序都要用到這兩個堆棧指針，簡單的應(yīng)用程序只用MSP就夠了，并且PUSH指令和POP指令默認(rèn)使用MSP（有時MSP直接記為SP）。另外，堆棧指針的最低兩位永遠(yuǎn)是0，即堆棧總是4字節(jié)對齊的。

3.連接寄存器R14（LR）

當(dāng)調(diào)用一個子程序時，由R14存儲返回地址。與其他處理器不同，ARM為了減少訪問內(nèi)存的次數(shù)[5]，把返回地址直接放入CPU內(nèi)部寄存器中，這樣足以使很多只有一級子程序調(diào)用[6]的代碼無須訪問內(nèi)存（堆棧空間），從而提高子程序調(diào)用的效率。如果多于一級，那么需要把前一級的R14值壓到堆棧里；在其他情況下，可以將R14作為通用寄存器使用。

4.程序計(jì)數(shù)寄存器R15（PC）

R15是程序計(jì)數(shù)寄存器，其內(nèi)容為將要執(zhí)行指令的地址。如果修改它的值，就能改變程序的執(zhí)行流程（很多高級技巧隱藏其中）。在匯編代碼中也可以使用PC來訪問它，因?yàn)锳RM Cortex-M處理器使用了指令流水線，讀PC時返回的值是當(dāng)前指令的地址+4。ARM Cortex-M處理器中的指令至少是半字對齊的，所以PC的第0位總是0。然而，在使用一些跳轉(zhuǎn)或讀存儲器指令更新PC時，都必須保證新的PC值是奇數(shù)（即第0位為1），用以表明這是在Thumb狀態(tài)下執(zhí)行的，若第0位為0，則被視為企圖轉(zhuǎn)入ARM模式，ARM Cortex-M處理器將觸發(fā)錯誤異常。在理解實(shí)時操作系統(tǒng)運(yùn)行流程時，關(guān)鍵點(diǎn)是要理解PC值是如何變化的，這是因?yàn)镻C值的變化反映了程序的真實(shí)流程。

5.特殊功能寄存器

ARM Cortex-M處理器包括一組特殊功能寄存器，如程序狀態(tài)寄存器（xPSR）、中斷屏蔽寄存器（PRIMASK）和控制寄存器（CONTROL）。

1）程序狀態(tài)寄存器

程序狀態(tài)寄存器（xPSR）在內(nèi)部分為以下幾個子寄存器：APSR、IPSR、EPSR，用戶可以使用MRS和MSR指令訪問程序狀態(tài)寄存器。三個子寄存器既可以單獨(dú)訪問，又可以兩個或三個組合到一起訪問。使用三合一方式訪問時，把該寄存器稱為xPSR，如表2-1所示。

（1）應(yīng)用程序狀態(tài)寄存器（Application Program Status Register，APSR）：存放算術(shù)運(yùn)算單元（ALU）狀態(tài)位的一些信息。負(fù)標(biāo)志N：若結(jié)果最高位為1，相當(dāng)于有符號運(yùn)算中結(jié)果為負(fù)，則置1，否則清0。零標(biāo)志Z：若結(jié)果為0，則置1，否則清0。進(jìn)位標(biāo)志C：若有向最高位進(jìn)位（減法為借位），則置1，否則清0。溢出標(biāo)志V：若溢出，則置1，否則清0。在程序運(yùn)行過程中，這些位會根據(jù)運(yùn)算結(jié)果而改變，在條件轉(zhuǎn)移指令中也可能被用到。復(fù)位之后，這些位是隨機(jī)的。

（2）中斷程序狀態(tài)寄存器（Interrupt Program Status Register，IPSR）：該寄存器的D31～D6位為0，D5～D0位存放中斷號（異常號）。每次中斷完成之后，處理器會實(shí)時更新IPSR內(nèi)的中斷號字段，IPSR只能被MRS指令讀寫。進(jìn)程模式下，值為0；Handler模式[7]下，存放當(dāng)前中斷的中斷號。復(fù)位之后，寄存器被自動清0。復(fù)位中斷號是一個暫時值，復(fù)位時是不可見的。

（3）執(zhí)行程序狀態(tài)寄存器（Execution Program Status Register，EPSR）：T標(biāo)志位指示當(dāng)前運(yùn)行的是否為Thumb指令，該位是不能被軟件讀取的，運(yùn)行復(fù)位向量對應(yīng)的代碼時置1。如果該位為0，會發(fā)生硬件異常，進(jìn)入硬件中斷服務(wù)程序。

2）中斷屏蔽寄存器

中斷屏蔽寄存器（PRIMASK）的D31～D1位保留，只有D0位（記為PM）有意義，當(dāng)該位被置位時，除不可屏蔽中斷和硬件錯誤之外的所有中斷都被屏蔽。使用特殊指令（如MSR、MRS）可以訪問PRIMASK。除此之外，還有一條稱為改變處理器狀態(tài)的特殊指令CPS也能訪問PRIMASK，只在實(shí)時線程中才會用到。對于可屏蔽中斷，有開、關(guān)總中斷的匯編指令：“CPSIDi”，將D0位置1（關(guān)總中斷）；“CPSIEi”，將D0位清0（開總中斷），其中i代表IRQ中斷，IRQ是非內(nèi)核中斷請求（Interrupt Request）的縮寫。由于沒有高級語言相關(guān)語句對應(yīng)這兩條指令，因此在編程中一般采用宏定義的方式來使用。

3）控制寄存器

控制寄存器（CONTROL）的D31～D2位保留，D1、D0位含義如下。

D1（SPSEL）——堆棧指針選擇位。默認(rèn)SPSEL=0，使用MSP為當(dāng)前堆棧指針（復(fù)位后默認(rèn)值）；SPSEL=1，在進(jìn)程模式下，使用PSP為當(dāng)前堆棧指針。在特權(quán)、進(jìn)程模式下，軟件可以更新SPSEL位。在Handler模式下，寫該位無效。復(fù)位后，控制寄存器清0。可用MRS指令讀該寄存器，MSR指令寫該寄存器。非特權(quán)訪問無效。

D0（nPRIV）——如果權(quán)限擴(kuò)展，在進(jìn)程模式下定義執(zhí)行特權(quán)。nPRIV=0，進(jìn)程模式下可以特權(quán)訪問；nPRIV=1，進(jìn)程模式下無特權(quán)訪問。在Handler模式下，總是特權(quán)訪問。