第3章 ARM指令系統(tǒng)

第3章ARM指令系統(tǒng)

本章以流行ARM處理器為例介紹嵌入式微處理器的指令系統(tǒng)，主要介紹ARM微處理器的尋址方式以及ARM指令集、Thumb和Thumb-2指令集。3.1ARM指令分類(lèi)及指令格式ARM指令集特點(diǎn)：

ARM使用標(biāo)準(zhǔn)的、固定長(zhǎng)度的32位指令格式所有ARM指令都使用4位的條件編碼來(lái)決定指令是否執(zhí)行，以解決指令執(zhí)行的條件判斷ARM微處理器的指令集是加載/存儲(chǔ)型的，即指令集僅能處理寄存器中的數(shù)據(jù)返回ARM指令分類(lèi)指令分類(lèi)（6類(lèi)）

ARM微處理器的指令集可以分為分支指令、數(shù)據(jù)處理指令、程序狀態(tài)寄存器（CPSR）處理指令、加載/存儲(chǔ)指令、協(xié)處理器指令和異常產(chǎn)生指令。

當(dāng)處理器工作在ARM狀態(tài)時(shí)，幾乎所有的指令均根據(jù)CPSR中條件碼的狀態(tài)和指令的條件域有條件的執(zhí)行。當(dāng)指令的執(zhí)行條件滿(mǎn)足時(shí)，指令被執(zhí)行，否則指令被忽略。每一條ARM指令包含4位的條件碼，位于指令的最高4位[31:28]。

詳見(jiàn)下表指令中的條件域(1)指令中的條件域(2)條件碼助記符后綴標(biāo)志含義0000EQZ置位相等0001NEZ清零不相等0010CSC置位無(wú)符號(hào)數(shù)大于或等于0011CCC清零無(wú)符號(hào)數(shù)小于0100MIN置位負(fù)數(shù)0101PLN清零正數(shù)或零0110VSV置位溢出0111VCV清零未溢出1000HIC置位Z清零無(wú)符號(hào)數(shù)大于1001LSC清零Z置位無(wú)符號(hào)數(shù)小于或等于1010GEN等于V帶符號(hào)數(shù)大于或等于1011LTN不等于V帶符號(hào)數(shù)小于1100GTZ清零且（N等于V）帶符號(hào)數(shù)大于1101LEZ置位或（N不等于V）帶符號(hào)數(shù)小于或等于1110AL忽略無(wú)條件執(zhí)行返回ARM指令中常用的操作數(shù)符號(hào)“#”—立即數(shù)符號(hào)“#”符號(hào)表示立即數(shù)，其中后可以是二進(jìn)制數(shù)，也可以是十進(jìn)制數(shù)或十六進(jìn)制數(shù)“0x”—十六進(jìn)制符號(hào)

“0x”后面的數(shù)據(jù)（每位可以是0-9，A-F）表示十六進(jìn)制數(shù)，如0xFFFF“！”—更新基址寄存器符號(hào)表示指令在完成操作后最后的地址應(yīng)該寫(xiě)入基址寄存器“-”—指示寄存器列表范圍符號(hào)

表示多個(gè)連續(xù)寄存器，如R0-R7表示寄存器共8個(gè)寄存器：R0，R1，R2，R3，R4，R5，R6和R7。即含義“從…到…”

3.2ARM指令的尋址方式定義

所謂尋址方式就是處理器根據(jù)指令中給出的地址信息來(lái)尋找物理地址的方式。尋址方式種類(lèi)目前ARM指令系統(tǒng)支持如下7種常見(jiàn)的尋址方式。

立即尋址，寄存器尋址，寄存器間接尋址

基址加變址尋址，相對(duì)尋址，堆棧尋址

塊拷貝(多寄存器）尋址返回立即尋址

立即尋址也叫立即數(shù)尋址，操作數(shù)本身就在指令中給出，只要取出指令也就取到了操作數(shù)，這個(gè)操作數(shù)被稱(chēng)為立即數(shù)。例如：MOVR0，#0x10FF66EDADCR0，R0，#1000立即數(shù)注意立即數(shù)前面的“?！焙x：R0←R0＋1000+C返回寄存器尋址寄存器尋址是利用寄存器中的數(shù)值作為操作數(shù)尋址的一種方式，此方式執(zhí)行效率較高，經(jīng)常被各種處理器采用。例如：ADDR0，R1，R2 含義：R0←R1＋R2寄存器間接尋址

寄存器間接尋址是以寄存器中的值作為操作數(shù)的地址，而操作數(shù)本身存放在存儲(chǔ)器中，用于間接接尋址的寄存器必須用[]括起來(lái)。例如：ADDR0，R1，[R2] LDRR0，[R1]

含義：R0←R1＋[R2]含義：R0←[R1]基址加變址尋址

基址加變址尋址是將寄存器（該寄存器一般稱(chēng)作基址寄存器）的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量相加，從而得到一個(gè)操作數(shù)的有效地址。例如：LDRR0，[R1，＃4]LDRR0，[R1，＃4]！LDRR0，[R1]，＃4 變址尋址方式常用于訪(fǎng)問(wèn)某基地址附近的地址單元。R0←[R1＋4]R0←[R1＋4]、R1←R1＋4R0←[R1]、R1←R1＋4相對(duì)尋址

相對(duì)尋址以程序計(jì)數(shù)器PC的當(dāng)前值為基地址，指令中的地址標(biāo)號(hào)作為偏移量，將兩者相加之后得到操作數(shù)的有效地址。例如：BL Subroutine_A；跳轉(zhuǎn)到子程序Subroutine_A處執(zhí)行…… Subroutine_A…… MOV PC，LR；從子程序返回0x2100000偏移量為0x0100PC0x2100100

PC執(zhí)行堆棧尋址

堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，按先進(jìn)后出（FirstInLastOut，F(xiàn)ILO）的方式工作，使用堆棧指針專(zhuān)用寄存器指示當(dāng)前的操作位置，堆棧指針總是指向棧頂。堆棧的生成方式:滿(mǎn)遞增堆棧滿(mǎn)遞減堆?？者f增堆棧空遞減堆棧當(dāng)堆棧指針指向最后壓入堆棧的數(shù)據(jù)時(shí)，稱(chēng)為滿(mǎn)堆棧（FullStack）

當(dāng)堆棧由低地址向高地址生成時(shí)，稱(chēng)為遞增堆棧

當(dāng)堆棧由高地址向低地址生成時(shí)，稱(chēng)為遞減堆棧當(dāng)堆棧指針指向下一個(gè)將要放入數(shù)據(jù)的空位置時(shí)，稱(chēng)為空堆棧（EmptyStack）

塊拷貝尋址塊拷貝尋址又稱(chēng)多寄存器尋址，采用多寄存器尋址方式，一條指令可以完成多個(gè)寄存器值的傳送。例如：LDMIAR0，{R1，R2，R3，R4} 后綴IA表示在每次執(zhí)行完加載/存儲(chǔ)操作后，R0按字長(zhǎng)度增加

；R1←[R0] ；R2←[R0＋4] ；R3←[R0＋8] ；R4←[R0＋12]3.3ARM指令集程序狀態(tài)指令3.3.2分支指令33.3.3數(shù)據(jù)處理指令33.3.1加載/存儲(chǔ)指令3.3.4協(xié)處理器指令33.3.5異常中斷指令33.3.6返回3.3.1數(shù)據(jù)處理指令

數(shù)據(jù)傳送指令

比較指令

測(cè)試指令

加法指令

減法指令

邏輯運(yùn)算指令

乘法指令與乘加指令MOV—數(shù)據(jù)傳送指令如：MOV R1，R0

MVN—數(shù)據(jù)取反傳送指令如：MVN R0，＃0

CMP—比較指令

CMP R1，R0CMN—反值比較指令

CMN R1，＃100TEQ—相等測(cè)試指令

TEQ R1，R2TST—位測(cè)試指令

TST R1，＃0xfe

ADD—加法指令

ADDR0，R1，#256

ADC—帶進(jìn)位加法指令

ADCR3，R7，R11

SUB—減法指令

SUB R0，R1，#256SBC—帶借位減法指令

SUBSR0，R1，R2

RSB—反向減法指令

RSB R0，R1，R2RSC—帶借位反向減法指令

RSC R0，R1，R2AND—邏輯與指令

ORR—邏輯或指令EOR—邏輯異或指令

BIC—位清除指令

返回3.3.2程序狀態(tài)指令

程序狀態(tài)指令用于在程序狀態(tài)寄存器和通用寄存器之間傳送數(shù)據(jù)。MRS—程序狀態(tài)寄存器到通用寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令例如：MRSR0，CPSR；傳送CPSR的內(nèi)容到R0MSR—通用寄存器到程序狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令例如：MSRSPSR，R0；傳送R0的內(nèi)容到SPSR

返回3.3.3分支指令

分支指令用于實(shí)現(xiàn)程序流程的跳轉(zhuǎn)，ARM指令集中的分支指令可以完成從當(dāng)前指令向前或向后的32MB的地址空間的跳轉(zhuǎn)，包括4條指令：B轉(zhuǎn)移指令BL帶返回的轉(zhuǎn)移指令BLX帶返回且?guī)顟B(tài)切換的轉(zhuǎn)移指令BX帶狀態(tài)切換的轉(zhuǎn)移指令

點(diǎn)擊右圖示例返回3.3.4加載/存儲(chǔ)指令

加載指令用于將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)傳送到寄存器，存儲(chǔ)指令則完成相反的操作。加載存儲(chǔ)指令有三類(lèi)：?jiǎn)我粩?shù)據(jù)加載/存儲(chǔ)批量數(shù)據(jù)加載/存儲(chǔ)數(shù)據(jù)交換指令返回3.3.5協(xié)處理器指令

ARM協(xié)處理器指令包括5條：CDP（協(xié)處理器數(shù)操作指令）LDC（協(xié)處理器數(shù)據(jù)加載指令）STC（協(xié)處理器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指令）MCR（ARM處理器寄存器到協(xié)處理器寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令）MRC（協(xié)處理器寄存器到ARM處理器寄存器的數(shù)據(jù)傳送指令）。返回3.3.6異常中斷指令

ARM微處理器所支持的異常中斷指令有如下兩條：SWI—軟件中斷指令

示例：SWI 0x01

；該指令調(diào)用操作系統(tǒng)編號(hào)為01的系統(tǒng)例程。BKPT—斷點(diǎn)中斷指令

示例：BKPT 0XF010支持16位的立即數(shù)

返回3.４Thumb指令集Thumb指令集指令編碼長(zhǎng)度為16位，但指令的操作數(shù)和指令地址仍是32位；Thumb指令集是ARM指令系統(tǒng)的一個(gè)子集；

Thumb指令集在保留32代碼優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，大大的節(jié)省了系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間。

返回

Thumb指令集

返回

數(shù)據(jù)處理指令分支指令加載/存儲(chǔ)指令異常中斷指令SWI—軟件中斷指令BKPT—斷點(diǎn)異常中斷指令3.5Thumb-2指令集Thumb-2是一種新型混合指令集，融合了16位和32位指令，用于實(shí)現(xiàn)密度和性能的最佳平衡。返回3.6ARM處理器支持的偽指令

指令性指令：可以執(zhí)行的指令偽指令：是一種指示性語(yǔ)句，是不可執(zhí)行的指令。指令性語(yǔ)句匯編后由相應(yīng)的機(jī)器代碼所取代，指示匯編程序?yàn)閿?shù)據(jù)分配內(nèi)存空間或相應(yīng)寄存器，不產(chǎn)生任何機(jī)器代碼。

ARM處理器支持的偽指令有ADR、LDR和NOP三類(lèi)。返回ADR偽指令功能：將程序相對(duì)偏移地址或寄存器偏移地址加載到指定寄存器中。格式：ADR{cond}Rd，expr示例：

Mloop: MOVR1,#0xf9ADR R0,mloop ；將mloop對(duì)應(yīng)相對(duì)偏移地址傳送到R0中 LDR偽指令功能：將32位常量或一個(gè)地址加載到到指定寄存器中。格式：LDR{cond}Rd，＝[expr|lable-expr] 示例：

LDRR1,=0x1234 ;R1=0x1234Mloop:LDRR2,=#