本文源自《书香度年华》「ARM 架构专栏」，是一系列由浅入深、循序渐进的文章，文章之间有一定的前后关联性，所以按顺序阅读，建议收藏专栏。
目录
一. 定义
寄存器在计算机中是用来寄存数据的，因为是寄存，所以其存放的数据变化是非常频繁的。通常来讲，从数据生命周期长短来看，寄存器<SRAM<DRAM<非易失存储器（闪存/磁盘）。正因为其高频使用，寄存器在ARM架构中重要性不言而喻。
二、通用寄存器
顾名思义，用来实现计算模型的通用寄存器。
X0~X30共31个64位寄存器，W0~W30对应Xn寄存器低32位，可以认为是兼容32位用法；
X29为Frame Pointer，存放当前栈帧；X30为Link Rigister，记录程序返回地址。
三、特殊寄存器
用来使完善、优化、辅助计算模型的寄存器；
Zero寄存器
用来存放0，相比立即数#0，可以减少指令数，提高效率；XZR/WZR分别是64位和32位，在指令编码中，被编码成31，故没有X31寄存器。向Zero寄存器写入数据，相当于丢弃数据。
程序计数器PC
记录当前程序运行的指令地址，在ARMv8后，不允许显示的将PC作为目标寄存器，即不允许mov PC, xx这种用法，能够让计算流更加确定，易追踪。
堆栈指针SP
栈指针主要用来存放局部数据存放的地址，因为寄存器数量有限，而参与计算的临时或者局部数据可能会很多，所以需要内存来存放这些数据，这块内存称之为栈，就像客栈那样是临时寄宿的一样。
ARMv8后要求16字节对齐，每个执行级别都有自己的SP寄存器，EL0只能访问SP_EL0，而其它执行级别可以访问所有级别的SP；SP_EL0也可以通过PSTATE.SP访问。
程序状态寄存器CPSR/SPSR
计算模型在计算过程中会产生很多状态，比如有没有进位、有没有溢出，还会包含当前程序运行的其他状态，这些状态保存在当前程序状态寄存器 CPSR中，因为各个异常级别公共一个CPSR，所以每个异常级别都有用于保存自己CPSR的寄存器 SPSR。在异常级别切换时（无论是手动的还是自动的），CPSR都会保存进SPSR，等下一次返回时，再从SPSR恢复到CPSR中。
异常返回地址寄存器ELR
四、系统寄存器
用来对计算模型进行配置并记录其状态的寄存器；
系统配置寄存器SCR，TBD
系统控制寄存器SCTLR，TBD
转换表基址寄存器TTBR，TBD
异常向量基址寄存器VBAR，TBD
附录
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。 [1]
按照功能的不同，可将寄存器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，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。 [1]
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。 [2]
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。 [2]
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)。 [2] 
寄存器
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。 [2]
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。 [3]
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]
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。 [3]
④输出数码：在输出脉冲作用下，才通过电路输出数码。 [3]
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。 [3]
PORT1的控制寄存器(2张)
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
编辑 播报
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。 [4]
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。 [4]
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。 [4]
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。 [4]
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。 [4]
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。 [4]
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苛件，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。 [6]
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。 [6]
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。 [6]
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。 [6]
寄存器(3张)
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。 [5]
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。 [5]
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。 [5]
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。 [5]
2.指针和变址寄存器
BP( Base Pointer Register)：基址指针寄存器。 [5]
SP( Stack Pointer Register)：堆栈指针寄存器。 [5]
SI( Source Index Register)：源变址寄存器。 [5]
DI( Destination Index Register)：目的变址寄存器。 [5]
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。 [5]
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。 [5]
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。 [5]
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。 [5]
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。 [5]
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。 [5]
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。 [5]
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]
5.标志寄存器FR
标志寄存器FR也称程序状态字寄存器。 [5]
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。 [5]
