2.1　CPU内部寄存器的分类及ARM Cortex-M处理器的主要寄存器

实时操作系统在运行过程中需要对CPU的寄存器进行频繁操作。本书采用的是基于ARM Cortex-M系列内核的MCU。理解和掌握其CPU的主要寄存器，熟悉各个寄存器的含义和操作方式，是深入理解实时操作系统的必要前提条件。

2.1.1　CPU内部寄存器的分类

以软件开发工程师视角来看，从底层学习一个CPU，理解其内部寄存器用途是重要一环。计算机所有指令运行均由CPU完成，CPU内部寄存器负责信息暂存，其数量与处理能力直接影响CPU的性能。本节先从一般意义上阐述寄存器基础知识及相关基本概念，第2.1.2节介绍ARM Cortex-M微处理器的内部寄存器。

从共性知识角度及功能来看，CPU内至少应该有数据缓冲寄存器、堆栈指针寄存器、程序指针寄存器、程序状态寄存器及其他功能寄存器。

1.数据缓冲寄存器

CPU内数量最多的寄存器是数据缓冲寄存器，名字用寄存器的英文“Register”的首字母加数字组成，如R0、R1、R2等。不同的CPU，数据缓冲寄存器的种类也不同，如8086中的通用寄存器有8个，分别是AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI；Intel X86系列的通用寄存器也有8个，分别是EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、ESI、EDI。

2.堆栈指针寄存器

在计算机编程中，有全局变量与局部变量的概念。从存储器角度来看，对一个具有独立功能的完整程序来说，全局变量具有固定的地址，每次读写都是那个地址。而在一个子程序中开辟的局部变量则不同，用RAM中的哪个地址是不固定的，采用后进先出（Last In First Out，LIFO）原则使用一段RAM区域，这段RAM区域被称为栈区[1]。它有个栈底的地址，是一开始就确定的，当有数据进栈或出栈时，地址会自动连续变动[2]，不然就放到同一个存储地址中。CPU中需要有个地方保存这个不断变化的地址，这个地方就是堆栈指针寄存器（通常称为堆栈指针）。

3.程序指针寄存器

计算机的程序存储在存储器中，CPU中有个寄存器指示将要执行的指令在存储器中的位置，这就是程序指针寄存器。在许多CPU中，它的名字叫作程序计数寄存器，它负责告诉CPU将要执行的指令在存储器的什么地方。

4.程序状态寄存器

CPU在进行计算过程中，会出现诸如进位、借位、结果为0、溢出等情况，CPU内需要有个地方把它们保存下来，以便下一条指令结合这些情况进行处理，这类寄存器就是程序状态寄存器。不同的CPU，其名称也不同，有的叫作标志寄存器，有的叫作程序状态寄存器等，大同小异。在这类寄存器中，常用单个英文字母表示其含义。例如，N表示有符号运算中结果为负（Negative），Z表示结果为零（Zero），C表示有进位（Carry），V表示溢出（Overflow）等。

5.其他功能寄存器

不同的CPU，除了具有数据缓冲寄存器、堆栈指针、程序指针寄存器、程序状态寄存器（也称为程序状态字寄存器），还有表示浮点数运算、中断屏蔽[3]等寄存器。

2.1.2　ARM Cortex-M处理器的主要寄存器

ARM Cortex-M处理器的寄存器主要有R0～R15及三个特殊功能寄存器，如图2-1所示。

其中R0～R12为通用寄存器，R13为堆栈指针（Stack Pointer，SP），R14是连接寄存器，R15为程序计数（Program Counter，PC）寄存器（简称程序计算器）。特殊功能寄存器有预定义的功能，而且必须通过专用的指令来访问。

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，用于数据操作，复位后初始值为随机值。32位的Thumb2[4]指令可以访问所有通用寄存器，但绝大多数16位Thumb指令只能访问R0～R7。因而R0～R7又被称为低位寄存器，所有指令都能访问它们。R8～R12被称为高位寄存器，只有很少的16位Thumb指令能访问它们，32位的指令则不受限制。在Mbed OS中，R12常用来存放函数地址。

2.堆栈指针R13（SP）

R13是堆栈指针SP。在ARM Cortex-M处理器中共有两个堆栈指针：主堆栈指针MSP和进程堆栈指针PSP。若用户用到其中一个，另一个必须用特殊指令（MRS、MSR指令）来访问，因此任一时刻只能使用其中一个。MSP是CPU复位后默认使用的堆栈指针，它可由操作系统内核、中断服务程序及所有需要特权访问的应用程序代码来使用。PSP用于常规的应用程序代码（不处于中断服务程序中时），该堆栈一般供用户的应用程序代码使用。需要注意的是，并不是每个应用程序都要用到这两个堆栈指针，简单的应用程序只用MSP就够了，并且PUSH指令和POP指令默认使用MSP（有时MSP直接记为SP）。另外，堆栈指针的最低两位永远是0，即堆栈总是4字节对齐的。

3.连接寄存器R14（LR）

当调用一个子程序时，由R14存储返回地址。与其他处理器不同，ARM为了减少访问内存的次数[5]，把返回地址直接放入CPU内部寄存器中，这样足以使很多只有一级子程序调用[6]的代码无须访问内存（堆栈空间），从而提高子程序调用的效率。如果多于一级，那么需要把前一级的R14值压到堆栈里；在其他情况下，可以将R14作为通用寄存器使用。

4.程序计数寄存器R15（PC）

R15是程序计数寄存器，其内容为将要执行指令的地址。如果修改它的值，就能改变程序的执行流程（很多高级技巧隐藏其中）。在汇编代码中也可以使用PC来访问它，因为ARM Cortex-M处理器使用了指令流水线，读PC时返回的值是当前指令的地址+4。ARM Cortex-M处理器中的指令至少是半字对齐的，所以PC的第0位总是0。然而，在使用一些跳转或读存储器指令更新PC时，都必须保证新的PC值是奇数（即第0位为1），用以表明这是在Thumb状态下执行的，若第0位为0，则被视为企图转入ARM模式，ARM Cortex-M处理器将触发错误异常。在理解实时操作系统运行流程时，关键点是要理解PC值是如何变化的，这是因为PC值的变化反映了程序的真实流程。

5.特殊功能寄存器

ARM Cortex-M处理器包括一组特殊功能寄存器，如程序状态寄存器（xPSR）、中断屏蔽寄存器（PRIMASK）和控制寄存器（CONTROL）。

1）程序状态寄存器

程序状态寄存器（xPSR）在内部分为以下几个子寄存器：APSR、IPSR、EPSR，用户可以使用MRS和MSR指令访问程序状态寄存器。三个子寄存器既可以单独访问，又可以两个或三个组合到一起访问。使用三合一方式访问时，把该寄存器称为xPSR，如表2-1所示。

（1）应用程序状态寄存器（Application Program Status Register，APSR）：存放算术运算单元（ALU）状态位的一些信息。负标志N：若结果最高位为1，相当于有符号运算中结果为负，则置1，否则清0。零标志Z：若结果为0，则置1，否则清0。进位标志C：若有向最高位进位（减法为借位），则置1，否则清0。溢出标志V：若溢出，则置1，否则清0。在程序运行过程中，这些位会根据运算结果而改变，在条件转移指令中也可能被用到。复位之后，这些位是随机的。

（2）中断程序状态寄存器（Interrupt Program Status Register，IPSR）：该寄存器的D31～D6位为0，D5～D0位存放中断号（异常号）。每次中断完成之后，处理器会实时更新IPSR内的中断号字段，IPSR只能被MRS指令读写。进程模式下，值为0；Handler模式[7]下，存放当前中断的中断号。复位之后，寄存器被自动清0。复位中断号是一个暂时值，复位时是不可见的。

（3）执行程序状态寄存器（Execution Program Status Register，EPSR）：T标志位指示当前运行的是否为Thumb指令，该位是不能被软件读取的，运行复位向量对应的代码时置1。如果该位为0，会发生硬件异常，进入硬件中断服务程序。

2）中断屏蔽寄存器

中断屏蔽寄存器（PRIMASK）的D31～D1位保留，只有D0位（记为PM）有意义，当该位被置位时，除不可屏蔽中断和硬件错误之外的所有中断都被屏蔽。使用特殊指令（如MSR、MRS）可以访问PRIMASK。除此之外，还有一条称为改变处理器状态的特殊指令CPS也能访问PRIMASK，只在实时线程中才会用到。对于可屏蔽中断，有开、关总中断的汇编指令：“CPSIDi”，将D0位置1（关总中断）；“CPSIEi”，将D0位清0（开总中断），其中i代表IRQ中断，IRQ是非内核中断请求（Interrupt Request）的缩写。由于没有高级语言相关语句对应这两条指令，因此在编程中一般采用宏定义的方式来使用。

3）控制寄存器

控制寄存器（CONTROL）的D31～D2位保留，D1、D0位含义如下。

D1（SPSEL）——堆栈指针选择位。默认SPSEL=0，使用MSP为当前堆栈指针（复位后默认值）；SPSEL=1，在进程模式下，使用PSP为当前堆栈指针。在特权、进程模式下，软件可以更新SPSEL位。在Handler模式下，写该位无效。复位后，控制寄存器清0。可用MRS指令读该寄存器，MSR指令写该寄存器。非特权访问无效。

D0（nPRIV）——如果权限扩展，在进程模式下定义执行特权。nPRIV=0，进程模式下可以特权访问；nPRIV=1，进程模式下无特权访问。在Handler模式下，总是特权访问。