寄存器

有限存贮容量的高速存贮部件

寄存器的功能是存储二进制代码，它是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储1位二进制代码，故存放n位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。

基本含义

寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。其实寄存器就是一种常用的时序逻辑电路，但这种时序逻辑电路只包含存储电路。寄存器的存储电路是由锁存器或触发器构成的，因为一个锁存器或触发器能存储1位二进制数，所以由N个锁存器或触发器可以构成N位寄存器。寄存器是中央处理器内的组成部分。寄存器是有限存储容量的高速存储部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。

在计算机领域，寄存器是CPU内部的元件，包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。寄存器拥有非常高的读写速度，所以在寄存器之间的数据传送非常快。

Cortex-M4总共有18个寄存器，相比传统ARM（如ARM7/ARM9/Cortex-A系列）的38个寄存器已减少很多，减少了内核核心面积(Die-size)。

对于编译器非常友好易用，例如：包含灵活的寄存器配置，任意寄存器之间可实现单周期乘法，任意寄存器可以作为数据、结构或数组的指针。此外，Cortex-M4还包含4个特殊功能寄存器PRIMASK、FAUI。TMASK、BASEPRI和CONTROL。

基本概念

寄存器最起码具备以下4种功能。

①清除数码：将寄存器里的原有数码清除。

②接收数码：在接收脉冲作用下，将外输入数码存入寄存器中。

③存储数码：在没有新的写入脉冲来之前，寄存器能保存原有数码不变。

④输出数码：在输出脉冲作用下，才通过电路输出数码。

仅具有以上功能的寄存器称为数码寄存器；有的寄存器还具有移位功能，称为移位寄存器。

寄存器有串行和并行两种数码存取方式。将n位二进制数一次存入寄存器或从寄存器中读出的方式称为并行方式。将n位二进制数以每次1位，分成n次存入寄存器并从寄存器读出，这种方式称为串行方式。并行方式只需一个时钟脉冲就可以完成数据操作，工作速度快，但需要n根输入和输出数据线。串行方式要使用几个时钟脉冲完成输入或输出操作，工作速度慢，但只需要一根输入或输出数据线，传输线少，适用于远距离传输。

结构

在数字电路中，用来存放二进制数据或代码的电路称为寄存器。寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储1位二进制代码，存放门位二进制代码的寄存器需用逐个触发器来构成。

对寄存器中的触发器只要求它们具有置1，置0的功能即可，因而无论是用电平触发的锁存器（latch-up），还是用脉冲触发或边沿触发的触发器（flip-flop），都可以组成寄存器。

由电平触发的动作特点可知，在CLK高电平期间，Q端的状态跟随D端状态的改变而改变；CLK变成低电平以后，Q端将保持CLK变为低电平时刻D端的状态。

74HC175则是用CMOS 边沿触发器组成的4位寄存器，根据边沿触发的动作特点可知，触发器输出端的状态仅仅取决于CLK上升沿到达时刻D端的状态。可见，虽然74LS75和74HC175都是4位寄存器，但由于采用了不同结构类型的触发器，所以动作特点是不同的。

为了增加使用的灵活性，在有些寄存器电路中还附加了一些控制电路，使寄存器又增添了异步置零、输出三态控制和保持等功能。这里所说的保持，是指CLK信号到达时触发器不随D端的输入信号而改变状态，保持原来的状态不变。

上面介绍的两个寄存器电路中，接收数据时所有各位代码都是同时输入的，而且触发器中的数据是并行地出现在输出端的，因此将这种输入、输出方式称为并行输入、并行输出方式。

工作原理

在计算机及其他计算系统中，寄存器是一种非常重要的、必不可少的数字电路构件，它通常由触发器（D触发器）组成，主要作用是用来暂时存放数码或指令。一个触发器可以存放一位二进制代码，若要存放N位二进制数码，则需用N个触发器。

寄存器应具有接收数据、存放数据和输出数据的功能，它由触发器和门电路组成。只有得到“存入脉冲”（又称“存入指令”、“写入指令”）时，寄存器才能接收数据；在得到“读出”指令时，寄存器才将数据输出。

寄存器存放数码的方式有并行和串行两种。并行方式是数码从各对应位输入端同时输入到寄存器中；串行方式是数码从一个输入端逐位输入到寄存器中。

寄存器读出数码的方式也有并行和串行两种。在并行方式中，被读出的数码同时出现在各位的输出端上；在串行方式中，被读出的数码在一个输出端逐位出现。

类型

1.通用寄存器组

通用寄存器组包括AX、BX、CX、DX4个16位寄存器，用以存放16位数据或地址。也可用作8位寄存器。用作8位寄存器时分别记为AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL。只能存放8位数据，不能存放地址。它们分别是AX、BX、CX、DX的高八位和低八位。若AX=1234H，则AH=12H，AL=34H。通用寄存器通用性强，对任何指令，它们具有相同的功能。为了缩短指令代码的长度，在8086中，某些通用寄存器用作专门用途。例如，串指令中必须用CX寄存器作为计数寄存器，存放串的长度，这样在串操作指令中不必给定CX的寄存器号，缩短了串操作指令代码的长度。下面一一介绍：

AX(AH、AL)：累加器。有些指令约定以AX(或AL)为源或目的寄存器。输入/输出指令必须通过AX或AL实现，例如：端口地址为43H的内容读入CPU的指令为INAL，43H或INAX，43H。目的操作数只能是AL/AX，而不能是其他的寄存器。

BX(BH、BL)：基址寄存器。BX可用作间接寻址的地址寄存器和基地址寄存器，BH、BL可用作8位通用数据寄存器。

CX(CH、CL)：计数寄存器。CX在循环和串操作中充当计数器，指令执行后CX内容自动修改，因此称为计数寄存器。

DX(DH、DL)：数据寄存器。除用作通用寄存器外，在I/O指令中可用作端口地址寄存器，乘除指令中用作辅助累加器。

2.指针和变址寄存器

BP( Base Pointer Register)：基址指针寄存器。

SP( Stack Pointer Register)：堆栈指针寄存器。

SI( Source Index Register)：源变址寄存器。

DI( Destination Index Register)：目的变址寄存器。

这组寄存器存放的内容是某一段内地址偏移量，用来形成操作数地址，主要在堆栈操作和变址运算中使用。BP和SP寄存器称为指针寄存器，与SS联用，为访问现行堆栈段提供方便。通常BP寄存器在间接寻址中使用，操作数在堆栈段中，由SS段寄存器与BP组合形成操作数地址即BP中存放现行堆栈段中一个数据区的“基址”的偏移量，所以称BP寄存器为基址指针。

SP寄存器在堆栈操作中使用，PUSH和POP指令是从SP寄存器得到现行堆栈段的段内地址偏移量，所以称SP寄存器为堆栈指针，SP始终指向栈顶。

寄存器SI和DI称为变址寄存器，通常与DS一起使用，为访问现行数据段提供段内地址偏移量。在串指令中，其中源操作数的偏移量存放在SⅠ中，目的操作数的偏移量存放在DI中，SI和DI的作用不能互换，否则传送地址相反。在串指令中，SI、DI均为隐含寻址，此时，SI和DS联用，Dl和ES联用。

3.段寄存器

8086/8088CPU可直接寻址1MB的存储器空间，直接寻址需要20位地址码，而所有内部寄存器都是16位的，只能直接寻址6KB，因此采用分段技术来解决。将1MB的存储空间分成若干逻辑段，每段最长64KB，这些逻辑段在整个存储空间中可浮动。

8086/8088CPU内部设置了4个16位段寄存器，它们分别是代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、堆栈段寄存器SS、附加段寄存器ES、由它们给出相应逻辑段的首地址，称为“段基址”。段基址与段内偏移地址组合形成20位物理地址，段内偏移地址可以存放在寄存器中，也可以存放在存储器中。

例如：代码段寄存器CS存放当前代码段基地址，IP指令指针寄存器存放了下一条要执行指令的段内偏移地址，其中CS=2000H，IP=001AH。通过组合，形成20位存储单元的寻址地址为2001AH。

代码段内存放可执行的指令代码，数据段和附加段内存放操作的数据，通常操作数在现行数据段中，而在串指令中，目的操作数指明必须在现行附加段中。堆栈段开辟为程序执行中所要用的堆栈区，采用先进后出的方式访问它。各个段寄存器指明了一个规定的现行段，各段寄存器不可互换使用。程序较小时，代码段、数据段、堆栈段可放在一个段内，即包含在64KB之内，而当程序或数据量较大时，超过了64KB，那么可以定义多个代码段或数据段、堆栈段、附加段。现行段由段寄存器指明段地址，使用中可以修改段寄存器内容，指向其他段。有时为了明确起见，可在指令前加上段超越的前缀，以指定操作数所在段。

4.指令指针寄存器IP

8086/8088CPU中设置了一个16位指令指针寄存器IP，用来存放将要执行的下一条指令在现行代码段中的偏移地址。程序运行中，它由BIU自动修改，使IP始终指向下一条将要执行的指令的地址，因此它是用来控制指令序列的执行流程的，是一个重要的寄存器。8086程序不能直接访问IP，但可以通过某些指令修改IP的内容。例如，当遇到中断指令或调用子程序指令时，8086自动调整IP的内容，将IP中下一条将要执行的指令地址偏移量入栈保护，待中断程序执行完毕或子程序返回时，可将保护的内容从堆栈中弹出到IP，使主程序继续运行。在跳转指令时，则将新的跳转目标地址送入IP，改变它的内容，实现了程序的转移。

5.标志寄存器FR

标志寄存器FR也称程序状态字寄存器。

FR是16位寄存器，其中有9位有效位用来存放状态标志和控制标志。状态标志共6位，CF、PF、AF、ZF、SF和OF，用于寄存程序运行的状态信息，这些标志往往用作后续指令判断的依据。控制标志有3位，IF、DF和TF，用于控制CPU的操作，是人为设置的。

存放代码满足条件

(1)代码要存得进；

(2)代码要记得住；

(3)代码要取得出。

寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储1位2进制代码，存放n位2进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。对寄存器中的触发器只要求它具有置1、置0的功能即可，因而无论用何种类型的触发器都可组成寄存器。

按照功能的不同，寄存器可分为基本寄存器和移位寄存器两大类。基本寄存器只能并行送入数据，需要时也只能并行输出。移位寄存器中的数据可以在移位脉冲作用下依次逐位右移或左移，数据既可以并行输入、并行输出，也可以串行输入、串行输出，还可以并行输入、串行输出或串行输入、并行输出，十分灵活，用途也很广。

寄存器组织

ARM微处理器共有37个32位寄存器，其中31个为通用寄存器，6个为状态寄存器。但是这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问的，取决于微处理器的工作状态及具体的运行模式。但在任何时候，通用寄存器R14~R0、程序计数器PC、一个或两个状态寄存器都是可访问的。

ARM9处理器共有37个32位长的寄存器，这些寄存器包括：

(1) RO～R12：均为32位通用寄存器，用于数据操作。但是注意：绝大多数16位Thumb指令只能访问R0～R7，而32位Thumb -2指令可以访问所有寄存器。

(2)堆栈指针：堆栈指针的最低两位永远是O，这意味着堆栈总是4字节对齐的。

(3)链接寄存器：当呼叫一个子程序时，由R14存储返回地址。

(4)程序计数器：指向当前的程序地址，如果修改它的值，就能改变程序的执行流。

(5)6个状态寄存器（1个CPSR、5个SPSR），用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位，目前只使用了其中的一部分。

Cortex-A8处理器有40个32位长的寄存器，多了监控模式下的寄存器，如RO～R12、R15、CPSR通用，R13_ mon、R14_mon、SPSR_mon三个专用寄存器。

寄存器寻址

寄存器寻址就是利用寄存器中的数值作为操作数，这种寻址方式是各类微处理器经常采用的一种方式，也是一种执行效率较高的寻址方式。

寄存器寻址是指操作数存放在CPU内部的寄存器中，指令中给出操作数所在的寄存器名。寄存器操作数可以是8位寄存器AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL，也可以是16位寄存器AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI等。因为寄存器寻址不需要通过总线操作访问存储器，所以指令执行速度比较快。

寄存器寻址( Register Addressing)是以通用寄存器的内容作为操作数的寻址方式，在该寻址方式下，操作数存放在寄存器中。寄存器寻址方式的寻址对象为：A，B，DPTR，R0~R7。其中，B仅在乘除法指令中为寄存器寻址，在其他指令中为直接寻址。A可以按寄存器寻址又可以直接寻址，直接寻址时写成ACC。

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