寄存器

寄存器是CPU內部用來存放數據的一些小型存儲區域，用來暫時存放參與運算的數據和運算結果。其實寄存器就是一種常用的時序邏輯電路，但這種時序邏輯電路只包含存儲電路。寄存器的存儲電路是由鎖存器或觸發器構成的，因為一個鎖存器或觸發器能存儲1位二進制數，所以由N個鎖存器或觸發器可以構成N位寄存器。寄存器是中央處理器內的組成部分。寄存器是有限存儲容量的高速存儲部件，它們可用來暫存指令、數據和位址。 ^[2] 

在計算機領域，寄存器是CPU內部的元件，包括通用寄存器、專用寄存器和控制寄存器。寄存器擁有非常高的讀寫速度，所以在寄存器之間的數據傳送非常快。 ^[2] 

Cortex-M4總共有18個寄存器，相比傳統ARM（如ARM7/ARM9/Cortex-A系列）的38個寄存器已減少很多，減少了內核核心面積(Die-size)。 ^[2] 

對於編譯器非常友好易用，例如：包含靈活的寄存器配置，任意寄存器之間可實現單週期乘法，任意寄存器可以作為數據、結構或數組的指針。此外，Cortex-M4還包含4個特殊功能寄存器PRIMASK、FAUI。TMASK、BASEPRI和CONTROL。 ^[2] 

寄存器最起碼具備以下4種功能。

①清除數碼：將寄存器裏的原有數碼清除。 ^[3] 

②接收數碼：在接收脈衝作用下，將外輸入數碼存入寄存器中。 ^[3] 

③存儲數碼：在沒有新的寫入脈衝來之前，寄存器能保存原有數碼不變。 ^[3] 

④輸出數碼：在輸出脈衝作用下，才通過電路輸出數碼。 ^[3] 

僅具有以上功能的寄存器稱為數碼寄存器；有的寄存器還具有移位功能，稱為移位寄存器。 ^[3] 

PORT1的控制寄存器(2張)

寄存器有串行和並行兩種數碼存取方式。將n位二進制數一次存入寄存器或從寄存器中讀出的方式稱為並行方式。將n位二進制數以每次1位，分成n次存入寄存器並從寄存器讀出，這種方式稱為串行方式。並行方式只需一個時鐘脈衝就可以完成數據操作，工作速度快，但需要n根輸入和輸出數據線。串行方式要使用幾個時鐘脈衝完成輸入或輸出操作，工作速度慢，但只需要一根輸入或輸出數據線，傳輸線少，適用於遠距離傳輸。 ^[3] 

在數字電路中，用來存放二進制數據或代碼的電路稱為寄存器。寄存器是由具有存儲功能的觸發器組合起來構成的。一個觸發器可以存儲1位二進制代碼，存放門位二進制代碼的寄存器需用逐個觸發器來構成。 ^[4] 

對寄存器中的觸發器只要求它們具有置1，置0的功能即可，因而無論是用電平觸發的鎖存器（latch-up），還是用脈衝觸發或邊沿觸發的觸發器（flip-flop），都可以組成寄存器。 ^[4] 

由電平觸發的動作特點可知，在CLK高電平期間，Q端的狀態跟隨D端狀態的改變而改變；CLK變成低電平以後，Q端將保持CLK變為低電平時刻D端的狀態。 ^[4] 

74HC175則是用CMOS邊沿觸發器組成的4位寄存器，根據邊沿觸發的動作特點可知，觸發器輸出端的狀態僅僅取決於CLK上升沿到達時刻D端的狀態。可見，雖然74LS75和74HC175都是4位寄存器，但由於採用了不同結構類型的觸發器，所以動作特點是不同的。 ^[4] 

為了增加使用的靈活性，在有些寄存器電路中還附加了一些控制電路，使寄存器又增添了異步置零、輸出三態控制和保持等功能。這裏所説的保持，是指CLK信號到達時觸發器不隨D端的輸入信號而改變狀態，保持原來的狀態不變。 ^[4] 

上面介紹的兩個寄存器電路中，接收數據時所有各位代碼都是同時輸入的，而且觸發器中的數據是並行地出現在輸出端的，因此將這種輸入、輸出方式稱為並行輸入、並行輸出方式。 ^[4] 

在計算機及其他計算系統中，寄存器是一種非常重要的、必不可少的數字電路構件，它通常由觸發器（D觸發器）組成，主要作用是用來暫時存放數碼或指令。一個觸發器可以存放一位二進制代碼，若要存放N位二進制數碼，則需用N個觸發器。 ^[6] 

寄存器應具有接收數據、存放數據和輸出數據的功能，它由觸發器和門電路組成。只有得到“存入脈衝”（又稱“存入指令”、“寫入指令”）時，寄存器才能接收數據；在得到“讀出”指令時，寄存器才將數據輸出。 ^[6] 

寄存器存放數碼的方式有並行和串行兩種。並行方式是數碼從各對應位輸入端同時輸入到寄存器中；串行方式是數碼從一個輸入端逐位輸入到寄存器中。 ^[6] 

寄存器讀出數碼的方式也有並行和串行兩種。在並行方式中，被讀出的數碼同時出現在各位的輸出端上；在串行方式中，被讀出的數碼在一個輸出端逐位出現。 ^[6] 

1.通用寄存器組

通用寄存器組包括AX、BX、CX、DX4個16位寄存器，用以存放16位數據或地址。也可用作8位寄存器。用作8位寄存器時分別記為AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL。只能存放8位數據，不能存放地址。它們分別是AX、BX、CX、DX的高八位和低八位。若AX=1234H，則AH=12H，AL=34H。通用寄存器通用性強，對任何指令，它們具有相同的功能。為了縮短指令代碼的長度，在8086中，某些通用寄存器用作專門用途。例如，串指令中必須用CX寄存器作為計數寄存器，存放串的長度，這樣在串操作指令中不必給定CX的寄存器號，縮短了串操作指令代碼的長度。下面一一介紹：

AX(AH、AL)：累加器。有些指令約定以AX(或AL)為源或目的寄存器。輸入/輸出指令必須通過AX或AL實現，例如：端口地址為43H的內容讀入CPU的指令為INAL，43H或INAX，43H。目的操作數只能是AL/AX，而不能是其他的寄存器。 ^[5] 

BX(BH、BL)：基址寄存器。BX可用作間接尋址的地址寄存器和基地址寄存器，BH、BL可用作8位通用數據寄存器。 ^[5] 

CX(CH、CL)：計數寄存器。CX在循環和串操作中充當計數器，指令執行後CX內容自動修改，因此稱為計數寄存器。 ^[5] 

DX(DH、DL)：數據寄存器。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，乘除指令中用作輔助累加器。 ^[5] 

2.指針和變址寄存器

BP( Base Pointer Register)：基址指針寄存器。 ^[5] 

SP( Stack Pointer Register)：堆棧指針寄存器。 ^[5] 

SI( Source Index Register)：源變址寄存器。 ^[5] 

DI( Destination Index Register)：目的變址寄存器。 ^[5] 

這組寄存器存放的內容是某一段內地址偏移量，用來形成操作數地址，主要在堆棧操作和變址運算中使用。BP和SP寄存器稱為指針寄存器，與SS聯用，為訪問現行堆棧段提供方便。通常BP寄存器在間接尋址中使用，操作數在堆棧段中，由SS段寄存器與BP組合形成操作數地址即BP中存放現行堆棧段中一個數據區的“基址”的偏移量，所以稱BP寄存器為基址指針。 ^[5] 

SP寄存器在堆棧操作中使用，PUSH和POP指令是從SP寄存器得到現行堆棧段的段內地址偏移量，所以稱SP寄存器為堆棧指針，SP始終指向棧頂。 ^[5] 

寄存器SI和DI稱為變址寄存器，通常與DS一起使用，為訪問現行數據段提供段內地址偏移量。在串指令中，其中源操作數的偏移量存放在SⅠ中，目的操作數的偏移量存放在DI中，SI和DI的作用不能互換，否則傳送地址相反。在串指令中，SI、DI均為隱含尋址，此時，SI和DS聯用，Dl和ES聯用。 ^[5] 

3.段寄存器

8086/8088CPU可直接尋址1MB的存儲器空間，直接尋址需要20位地址碼，而所有內部寄存器都是16位的，只能直接尋址6KB，因此採用分段技術來解決。將1MB的存儲空間分成若干邏輯段，每段最長64KB，這些邏輯段在整個存儲空間中可浮動。 ^[5] 

8086/8088CPU內部設置了4個16位段寄存器，它們分別是代碼段寄存器CS、數據段寄存器DS、堆棧段寄存器SS、附加段寄存器ES、由它們給出相應邏輯段的首地址，稱為“段基址”。段基址與段內偏移地址組合形成20位物理地址，段內偏移地址可以存放在寄存器中，也可以存放在存儲器中。 ^[5] 

例如：代碼段寄存器CS存放當前代碼段基地址，IP指令指針寄存器存放了下一條要執行指令的段內偏移地址，其中CS=2000H，IP=001AH。通過組合，形成20位存儲單元的尋址地址為2001AH。 ^[5] 

代碼段內存放可執行的指令代碼，數據段和附加段內存放操作的數據，通常操作數在現行數據段中，而在串指令中，目的操作數指明必須在現行附加段中。堆棧段開闢為程序執行中所要用的堆棧區，採用先進後出的方式訪問它。各個段寄存器指明瞭一個規定的現行段，各段寄存器不可互換使用。程序較小時，代碼段、數據段、堆棧段可放在一個段內，即包含在64KB之內，而當程序或數據量較大時，超過了64KB，那麼可以定義多個代碼段或數據段、堆棧段、附加段。現行段由段寄存器指明段地址，使用中可以修改段寄存器內容，指向其他段。有時為了明確起見，可在指令前加上段超越的前綴，以指定操作數所在段。 ^[5] 

4.指令指針寄存器IP

8086/8088CPU中設置了一個16位指令指針寄存器IP，用來存放將要執行的下一條指令在現行代碼段中的偏移地址。程序運行中，它由BIU自動修改，使IP始終指向下一條將要執行的指令的地址，因此它是用來控制指令序列的執行流程的，是一個重要的寄存器。8086程序不能直接訪問IP，但可以通過某些指令修改IP的內容。例如，當遇到中斷指令或調用子程序指令時，8086自動調整IP的內容，將IP中下一條將要執行的指令地址偏移量入棧保護，待中斷程序執行完畢或子程序返回時，可將保護的內容從堆棧中彈出到IP，使主程序繼續運行。在跳轉指令時，則將新的跳轉目標地址送入IP，改變它的內容，實現了程序的轉移。 ^[5] 

5.標誌寄存器FR

標誌寄存器FR也稱程序狀態字寄存器。 ^[5] 

寄存器(2張)

FR是16位寄存器，其中有9位有效位用來存放狀態標誌和控制標誌。狀態標誌共6位，CF、PF、AF、ZF、SF和OF，用於寄存程序運行的狀態信息，這些標誌往往用作後續指令判斷的依據。控制標誌有3位，IF、DF和TF，用於控制CPU的操作，是人為設置的。 ^[5] 

(1)代碼要存得進；

(2)代碼要記得住；

(3)代碼要取得出。 ^[7] 

寄存器是由具有存儲功能的觸發器組合起來構成的。一個觸發器可以存儲1位2進制代碼，存放n位2進制代碼的寄存器，需用n個觸發器來構成。對寄存器中的觸發器只要求它具有置1、置0的功能即可，因而無論用何種類型的觸發器都可組成寄存器。 ^[7] 

按照功能的不同，寄存器可分為基本寄存器和移位寄存器兩大類。基本寄存器只能並行送入數據，需要時也只能並行輸出。移位寄存器中的數據可以在移位脈衝作用下依次逐位右移或左移，數據既可以並行輸入、並行輸出，也可以串行輸入、串行輸出，還可以並行輸入、串行輸出或串行輸入、並行輸出，十分靈活，用途也很廣。 ^[7] 

ARM微處理器共有37個32位寄存器，其中31個為通用寄存器，6個為狀態寄存器。但是這些寄存器不能被同時訪問，具體哪些寄存器是可編程訪問的，取決於微處理器的工作狀態及具體的運行模式。但在任何時候，通用寄存器R14~R0、程序計數器PC、一個或兩個狀態寄存器都是可訪問的。 ^[8] 

ARM9處理器共有37個32位長的寄存器，這些寄存器包括：

(1) RO～R12：均為32位通用寄存器，用於數據操作。但是注意：絕大多數16位Thumb指令只能訪問R0～R7，而32位Thumb -2指令可以訪問所有寄存器。 ^[9] 

(2)堆棧指針：堆棧指針的最低兩位永遠是O，這意味着堆棧總是4字節對齊的。 ^[9] 

(3)鏈接寄存器：當呼叫一個子程序時，由R14存儲返回地址。 ^[9] 

(4)程序計數器：指向當前的程序地址，如果修改它的值，就能改變程序的執行流。 ^[9] 

(5)6個狀態寄存器（1個CPSR、5個SPSR），用以標識CPU的工作狀態及程序的運行狀態，均為32位，目前只使用了其中的一部分。 ^[9] 

Cortex-A8處理器有40個32位長的寄存器，多了監控模式下的寄存器，如RO～R12、R15、CPSR通用，R13_ mon、R14_mon、SPSR_mon三個專用寄存器。 ^[9] 

寄存器尋址就是利用寄存器中的數值作為操作數，這種尋址方式是各類微處理器經常採用的一種方式，也是一種執行效率較高的尋址方式。 ^[10] 

寄存器尋址是指操作數存放在CPU內部的寄存器中，指令中給出操作數所在的寄存器名。寄存器操作數可以是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。因為寄存器尋址不需要通過總線操作訪問存儲器，所以指令執行速度比較快。 ^[11] 

寄存器尋址( Register Addressing)是以通用寄存器的內容作為操作數的尋址方式，在該尋址方式下，操作數存放在寄存器中。寄存器尋址方式的尋址對象為：A，B，DPTR，R0~R7。其中，B僅在乘除法指令中為寄存器尋址，在其他指令中為直接尋址。A可以按寄存器尋址又可以直接尋址，直接尋址時寫成ACC。 ^[12]