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本节将简要介绍ARM Cortex-M4 的寄存器及指令系统，网上光盘提供了指令系统的简明电子文档。
ARM Cortex-M4 处理器的寄存器有：R0～R15，如图 2-11 所示。其中R13 作为堆栈指针SP。SP实质上有两个，但在同一时刻只能有一个可以看到，这也就是所谓的“banked”寄存器。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。
图 2-11 ARM Cortex-M4 处理器的寄存器组
R0～R12 是最具“通用目的”的 32 位通用寄存器，用于数据操作。32 位的Thumb-2 指令则可以访问所有通用寄存器。但请注意：绝大多数 16 位Thumb指令只能访问R0～R7。因而R0～R7 又被称为低组寄存器。所有指令都能访问它们。它们的字长全是 32 位，复位后的初始值是不可预料的。R8～R12 也被称为高组寄存器。这是因为只有很少的 16 位Thumb指令能访问它们，32 位的指令则不受限制。它们也是 32 位字长，且复位后的初始值是不可预料的。
R13 是堆栈指针。在ARM Cortex-M4 处理器内核中共有两个堆栈指针，于是也就支持两个堆栈。当引用R13（或写做SP）时，用户用到其中一个的话，另一个必须用特殊的指令来访问（MRS、MSR指令），因此任一时刻只能使用其中的一个。这两个堆栈指针分别为
● 主堆栈指针（MSP），或写做SP_main，主堆栈指针是复位后缺省使用的堆栈指针，它由OS内核、中断服务例程以及所有需要特权访问的应用程序代码来使用；
● 进程堆栈指针（PSP），或写做SP_process，用于常规的应用程序代码（不处于中断服务例程中时），该堆栈一般供用户的应用程序代码使用。
需要注意的是，并不是每个应用都用到这两个堆栈指针。简单的应用程序只用MSP就够了。堆栈指针用于访问堆栈，并且PUSH指令和POP指令默认使用SP。另外，堆栈指针的最低两位永远是 0，这意味着堆栈总是 4 字节对齐的。在ARM编程领域中，凡是打断程序顺序执行的事件，都被称为异常（Exception）。除了外部中断外，当有指令执行了“非法操作”，或者访问被禁的内存区间，或者不可屏蔽中断发生时，都会打断程序的执行，这些情况统称为异常。在不严格的上下文中，异常与中断也可以混用。另外，程序代码也可以主动请求进入异常状态的（常用于系统调用）。
当调用一个子程序时，由R14 存储返回地址。不像大多数其他处理器，ARM为了减少访问内存的次数（访问内存的操作往往要 3 个以上指令周期，带MMU和Cache的就更加不确定了），把返回地址直接存储在寄存器中。这样足以使很多只有 1 级子程序调用的代码无须访问内存（堆栈内存），从而提高了子程序调用的效率。如果多于 1 级，则需要把前一级的R14 值压到堆栈里。在ARM上编程时，应尽量只使用寄存器保存中间结果。在RISC处理器中，为了强调访问操作越过了处理器的界线，并且带来了对性能的不利影响，给它取了一个专业的术语——溅出（Spill）。
R15 是程序计数器，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（很多高级技巧隐藏其中）。在汇编代码中也可以使用名字“PC”来访问它。因为ARM Cortex-M4 内部使用了指令流水线，读PC时返回的值是当前指令的地址+4。例如，“0x1000: MOV R0 ；PC R0=0x1004”，如果向PC中写数据，就会引起一次程序的分支（但是不更新LR寄存器）。ARM Cortex-M4 中的指令至少是半字对齐的，所以PC的LSB总是读回 0。然而，在分支时，无论是直接写PC的值还是使用分支指令，都必须保证加载到PC的数值是奇数（即LSB=1），用以表明这是在Thumb状态下执行。倘若写了 0，则视为企图转入ARM模式，ARM Cortex-M4 将产生一个异常。
图2-12 ARM Cortex-M4 中的特殊功能寄存器
ARM Cortex-M4 还在内核水平上搭载了若干特殊功能寄存器（如图 2-12 所示），包括程序状态字寄存器组（PSRs或xPSR）、中断屏蔽寄存器组（PRIMASK、FAULTMASK和BASEPRI）和控制寄存器（CONTROL），它们只能由专用的MSR和MRS指令访问，而且它们也没有存储器地址。
程序状态字寄存器在其内部又被分为三个子状态寄存器（如图 2-13 和图 2-14 所示）：应用程序PSR（APSR）、中断号PSR（IPSR）和执行PSR（EPSR）。通过MRS或MSR指令，这 3 个PSR既可以单独访问，也可以组合访问（2 个组合或 3 个组合都可以）。当使用三合一的方式访问时，应使用名字“xPSR”或者“PSR”。
这三个寄存器用于控制异常的使能和禁用。只有在特权级下，才允许访问这 3 个寄存器，如表 2-9 所示。
图 2-13 ARM Cortex-M4 中的程序状态寄存器（xPSR）
图 2-14 合成后的程序状态寄存器（xPSR）
表 2-9 ARM Cortex-M4 的屏蔽寄存器组
对于时间-关键任务而言，PRIMASK和BASEPRI对于暂时关闭中断是非常重要的。而FAULT MASK则可以被操作系统用于暂时关闭“错误”处理机能，这种处理在某个任务崩溃时可能需要。因为在任务崩溃时，常常伴随着大量的错误。在系统处理这些事物时，通常不再需要响应这些错误。总之FAULTMASK就是专门留给操作系统用的。
控制寄存器用于定义特权级别，主要用于选择当前使用哪个堆栈指针，如表 2-10 所示。
表 2-10 ARM Cortex-M4 的CONTROL寄存器
CONTROL[1]：在ARM Cortex-M4 的handler模式中，CONTROL[1]总是 0。在线程模式中则可以为 0 或 1。仅当处于特权级的线程模式下，此位才可写，其他场合下禁止写此位。改变处理器的模式也有其他的方式，如在异常返回时，通过修改LR的第 2 位，也能实现模式切换。
CONTROL[0]：仅当在特权级下才允许写该位。一旦进入了用户级，唯一返回特权级的途径，就是触发一个（软）中断，在服务例程中改写该位。
ARM处理器一直支持两种形式上相对独立的指令集，即 32 位的ARM指令集（对应处理器的ARM状态）和 16 位的Thumb指令集（对应处理器的Thumb状态）。通常将ARM Cortex-M4指令集分为数据传送指令、数据处理指令、子程序调用及转移指令等。见网上光盘“..\WYH-K60BookA-CD(V1.0)\分章阅读资料\Ch02-DOC\ ARM Cortex-M4 指令列表.pdf”。