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第3章ARM指令集

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，目前最常用的編程語言是匯編語言和C語言。在較復雜的嵌入式軟件中，由于C語言編寫程序較方便，結構清晰，而且有大量支持庫，所以大部分代碼采用C語言編寫，特別是基于操作系統(tǒng)的應用程序設計。但是在系統(tǒng)初始化、BootLoader、中斷處理等，對時間和效率要求較嚴格的地方仍舊要使用匯編語言來編寫相應代碼塊。本章將介紹ARM指令集指令及匯編語言的相關知識。3.1ARM指令集概述ARM處理器的指令集主要有： ARM指令集，是ARM處理器的原生32位指令集，所有指令長度都是32位，以字對齊(4字節(jié)邊界對齊)方式存儲； 該指令集效率高，但是代碼密度較低。 Thumb指令集是16位指令集，2字節(jié)邊界對齊，是ARM指令集的子集； 在具有較高代碼密度的同時，仍然保持ARM的大多數(shù)性能優(yōu)勢。 Thumb2指令集是對Thumb指令集的擴展，提供了幾乎與ARM指令集相同的功能，同時具有16位和32位指令，既繼承了Thumb指令集的高代碼密度，又能實現(xiàn)ARM指令集的高性能； 2字節(jié)邊界對齊，16位和32位指令可自由混合。 Thumb2EE指令集是Thumb2指令集的一個變體，用于動態(tài)產(chǎn)生的代碼； 不能與ARM指令集和Thumb指令集交織在一起。除了上面介紹的指令集外，ARM處理器還有針對協(xié)處理器的擴展指令集，如普通協(xié)處理器指令、NEON和VFP擴展指令集、無線MMX技術擴展指令集等。3.1.1指令格式ARM指令集的指令基本格式如下：

< opcode > {< cond >} { S } < Rd >, < Rn >, < shift_operand >

指令中“< >”內的項是必需的，“{ }”內的項是可選的。各個項目的具體含義如表31所示。

表31ARM指令格式

符號說明

opcode操作碼，即指令助記符，如MOV、SUB、LDR等cond條件碼，描述指令執(zhí)行的條件S可選后綴，指令后加上S，指令執(zhí)行成功完成后自動更新CPSR寄存器中的條件標志位Rd目的寄存器Rn存放第1個操作數(shù)的寄存器shift_operand第2個操作數(shù)，可以是寄存器、立即數(shù)等3.1.2指令的條件碼ARM指令集中幾乎每條指令都可以是條件執(zhí)行的，由cond可選條件碼來決定，位于ARM指令的較高4位［31∶28］，可以使用的條件碼如表32所示。每種條件碼的助記符由兩個英文符號表示，在指令助記符的后面和指令同時執(zhí)行。根據(jù)程序狀態(tài)寄存器CPSR中的條件標志位［31∶28］判斷當前條件是否滿足，若滿足則執(zhí)行指令。若指令中有后綴S，則根據(jù)執(zhí)行結果更新程序狀態(tài)寄存器CPSR中的條件標志位［31∶28］。

表32ARM指令條件碼

指令條件碼助記符CPSR條件標志位值含義

0000EQZ=1相等0001NEZ=0不相等0010CS/HSC=1無符號數(shù)大于或等于0011CC/LOC=0無符號數(shù)小于0100MIN=1負數(shù)0101PLN=0正數(shù)或零0110VSV=1溢出0111VCV=0沒有溢出1000HIC=1,Z=0無符號數(shù)大于1001LSC=0,Z=1無符號數(shù)小于或等于1010GEN=V有符號數(shù)大于或等于1011LTN!=V有符號數(shù)小于1100GTZ=0,N=V有符號數(shù)大于1101LEZ=1,N!=V有符號數(shù)小于或等于1110AL任何無條件執(zhí)行(指令默認條件) 1111NV任何從不執(zhí)行(不要執(zhí)行)3.2ARM指令的尋址方式尋址方式是指處理器根據(jù)指令中給出的地址信息，找出操作數(shù)所存放的物理地址，實現(xiàn)對操作數(shù)的訪問。根據(jù)指令中給出的操作數(shù)的不同形式，ARM指令系統(tǒng)支持的尋址方式有： 立即尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、寄存器移位尋址、變址尋址、多寄存器尋址、堆棧尋址、塊復制尋址和相對尋址等。3.2.1立即尋址立即尋址也叫立即數(shù)尋址，指令的操作碼字段后面的地址碼部分不是操作數(shù)地址而是操作數(shù)本身，包含在指令的32位編碼中。立即數(shù)前要加前綴“#”。示例：

ADD R0,R0,#1； R0 ← R0 1

MOVR0,#0x00ff； R0 ← 0x00ff

3.2.2寄存器尋址寄存器尋址是指將操作數(shù)放在寄存器中，指令中地址碼部分給出寄存器編號。這是各類微處理器常用的一種有較高執(zhí)行效率的尋址方式。示例：

ADD R0,R1,R2； R0 ← R1 R2

MOVR0,R1； R0 ← R1

3.2.3寄存器間接尋址操作數(shù)存放在存儲器中，并將所存放的存儲單元地址放入某一通用寄存器中，在指令中的地址碼部分給出該通用寄存器的編號。示例：

LDRR0,［R1］； R0 ← ［R1］

該指令將寄存器R1中存放的值0xA0000008作為存儲器地址，將該存儲單元中的數(shù)據(jù)0x00000003傳送到寄存器R0中，尋址示意圖如圖31所示。

圖31寄存器間接尋址方式示意圖

3.2.4寄存器移位尋址該指令中，寄存器的值在被送到ALU之前，先進行移位操作。移位的方式由助記符給出，移位的位數(shù)可由立即數(shù)或寄存器直接尋址方式表示。可以采用的移位操作有： LSL： 邏輯左移，寄存器值低端空出的位補0。 LSR： 邏輯右移，寄存器值高端空出的位補0。 ASR： 算術右移，算術移位操作對象是有符號數(shù)，位移過程中要保障操作數(shù)的符號不變，若操作數(shù)是正數(shù)，高端空出位補0； 若操作數(shù)是負數(shù)，高端空出位補1。 ROR： 循環(huán)右移，從低端移出的位填入高端空出的位中。 RRX： 帶擴展的循環(huán)右移，操作數(shù)右移1位，高端空出的位用C標志位填充。示例：

MOV R0,R1, LSL #2； R0 ← R1中的數(shù)左移2位

ADDR0, R1, R2, LSR #3； R0 ←R1 R2中的數(shù)右移3位

3.2.5變址尋址變址尋址方式是將某個寄存器(基址寄存器)的值與指令中給出的偏移量相加，形成操作數(shù)的有效地址，再根據(jù)該有效地址訪問存儲器。該尋址方式常用于訪問在基址附近的存儲單元。示例：

LDRR0,［R1, #2］； R0 ← ［R1 2］

該指令將R1寄存器的值0xA0000008加上位移量2，形成操作數(shù)的有效地址，將該有效地址單元中的數(shù)據(jù)傳送到寄存器R0中。3.2.6多寄存器尋址多寄存器尋址方式可以在一條指令中傳送多個寄存器的值，一條指令最多可以傳送16個通用寄存器的值。連續(xù)的寄存器之間用“”連接，不連續(xù)的中間用“,”分隔。示例：

LDMIAR0!,{R1R3, R5}； R1 ← ［R0］

； R2 ← ［R0 4］

； R3 ← ［R0 8］

； R5 ← ［R0 12］

該指令將R0寄存器的值0xA0000004作為操作數(shù)地址，將存儲器中該地址開始的連續(xù)單元中的數(shù)據(jù)傳送到寄存器R1、R2、R3、R5中，尋址示意圖如圖32所示。

圖32多寄存器尋址方式示意圖

3.2.7相對尋址相對尋址方式就是以PC寄存器為基址寄存器，以指令中的地址標號為偏移量，兩者相加形成操作數(shù)的有效地址。偏移量指出的是當前指令和地址標號之間的相對位置。子程序調用指令即是相對尋址方式。示例：

BLADDR1； 跳轉到子程序ADDR1處執(zhí)行

…

ADDR1：

…

MOVPC,LR； 從子程序返回

3.2.8堆棧尋址堆棧是按“先進后出”或“后進先出”方式進行存取的存儲區(qū)。堆棧尋址是隱含的，使用一個叫做堆棧指針的專門寄存器，指示當前堆棧的棧頂。根據(jù)堆棧的生成方式不同，分為遞增堆棧和遞減堆棧。當堆棧向高地址方向生長時，叫做遞增堆棧(向上生長)； 當堆棧向低地址方向生長時，叫做遞減堆棧(向下生長)。堆棧指針指向壓入堆棧的數(shù)據(jù)時，稱為滿堆棧； 堆棧指針指向下一個將要放入數(shù)據(jù)的空位置時，稱為空堆棧。這樣就有四種類型的堆棧工作方式： 滿遞增堆棧(FA)、滿遞減堆棧(FD)、空遞增堆棧(EA)、空遞減堆棧(ED)。示例：

STMFD SP!,{R1R3, LR}； 將寄存器R1~R3和LR壓入堆棧，滿遞減堆棧

LDMFDSP!,{R1R3, LR}； 將堆棧數(shù)據(jù)出棧，放入寄存器R1~R3和LR

3.2.9塊復制尋址塊復制尋址方式是多寄存器傳送指令LDM/STM的尋址方式。LDM/STM指令可以將存儲器中的一個數(shù)據(jù)塊復制到多個寄存器中，或將多個寄存器中的值復制到存儲器中。尋址操作中使用的寄存器可以是R0~R15這16個寄存器的所有或子集。根據(jù)基地址的增長方向是向上還是向下，以及地址的增減與指令操作的先后順序(操作先進行還是地址先增減)的關系，有四種尋址方式： IB(Increment Before)： 地址先增加再完成操作，如STMIB、LDMIB。 IA(Increment After)： 先完成操作再地址增加，如STMIA、LDMIA。 DB(Decrement Before)： 地址先減少再完成操作，如STMDB、LDMDB。 DA(Decrement After)： 先完成操作再地址減少，如STMDA、LDMDA。3.3ARM指令簡介ARM指令集主要有： 跳轉指令、數(shù)據(jù)處理指令、程序狀態(tài)寄存器處理指令、加載/存儲指令、協(xié)處理器指令和異常產(chǎn)生指令六大類。ARM指令集是加載/存儲型的，指令的操作數(shù)都存儲在寄存器中，處理結果直接放入到目的寄存器中。采用專門的加載/存儲指令來訪問系統(tǒng)存儲器。本節(jié)介紹ARM指令集中常用指令的用法和使用要點。3.3.1跳轉指令跳轉指令用于實現(xiàn)程序流程的跳轉。在ARM程序中有兩種方式可以實現(xiàn)程序流程的跳轉： 直接向程序計數(shù)器PC中寫入跳轉地址，可以實現(xiàn)4GB地址空間內的任意跳轉。例如：

LDRPC, ［PC, # 0x00FF］； PC ← ［PC 8 0x00FF］

使用專門的跳轉指令。ARM指令集中的跳轉指令可以完成從當前指令向前或向后的32MB地址空間的跳轉。跳轉指令有： 1. B指令

B{條件}目標地址

跳轉指令B是最簡單的跳轉指令，跳轉到給定的目標地址，從那里繼續(xù)執(zhí)行。示例：

BWAITA； 無條件跳轉到標號WAITA處執(zhí)行

B0x1234； 跳轉到地址0x1234處

2. BL指令

BL{條件}目標地址

用于子程序調用，在跳轉之前，將下一條指令的地址復制到鏈接寄存器R14(LR)中，然后跳轉到指定地址執(zhí)行。示例：

BLFUNC1； 將當前PC值保存到R14中，然后跳轉到標號FUNC1處執(zhí)行

3. BLX指令

BLX{條件}目標地址

BLX指令從ARM指令集跳轉到指定地址執(zhí)行，并將處理器的工作狀態(tài)由ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)，同時將PC值保存到鏈接寄存器R14中。示例：

BLX FUNC1； 將當前PC值保存到R14中，然后跳轉到標號FUNC1處執(zhí)行，

； 并切換到Thumb狀態(tài)

BLX R0； 將當前PC值保存到R14中，然后跳轉R0中的地址處執(zhí)行，

； 并切換到Thumb狀態(tài)

4. BX指令

BX{條件}目標地址

帶狀態(tài)切換的跳轉指令，跳轉到指定地址執(zhí)行。若目標地址寄存器的位［0］為1，處理器的工作狀態(tài)切換為Thumb狀態(tài)，同時將CPSR中的T標志位置1，目標地址寄存器的位［31∶1］復制到PC中； 若目標地址寄存器的位［0］為0，處理器的工作狀態(tài)切換為ARM狀態(tài)，同時將CPSR中的T標志位清0，目標地址寄存器的位［31∶1］復制到PC中。示例：

BXR0； 跳轉R0中的地址處執(zhí)行，如果R0［0］=1，切換到Thumb狀態(tài)

3.3.2數(shù)據(jù)處理指令數(shù)據(jù)處理指令主要完成寄存器中數(shù)據(jù)的各種運算操作。數(shù)據(jù)處理指令的使用原則： 所有操作數(shù)都是32位，可以是寄存器或立即數(shù)。 如果數(shù)據(jù)操作有結果，結果也為32位，放在目的寄存器中。 指令使用“兩操作數(shù)”或“三操作數(shù)”方式，即每一個操作數(shù)寄存器和目的寄存器分別指定。 數(shù)據(jù)處理指令只能對寄存器的內容進行操作。指令后都可以選擇S后綴來影響標志位。比較指令不需要后綴S，這些指令執(zhí)行后都會影響標志位。1. MOV指令

MOV{條件}{S}目的寄存器,源操作數(shù)

MOV指令將一個立即數(shù)、一個寄存器或被移位的寄存器傳送到目的寄存器中。后綴S表示指令的操作是否影響標志位。如果目的寄存器是寄存器PC可以實現(xiàn)程序流程的跳轉，寄存器PC作為目的寄存器且后綴S被設置，則在跳轉的同時，將當前處理器工作模式下的SPSR值復制到CPSR中。示例：

MOVR0, #0x01； 將立即數(shù)0x01裝入到R0

MOVR0, R1； 將寄存器R1的值傳送到R0

MOVSR0, R1, LSL #3； 將寄存器R1的值左移3位后傳送到R0，并影響標志位

MOVPC, LR； 將鏈接寄存器LR的值傳送到PC中，用于子程序返回

2. MVN指令

MVN{條件}{S}目的寄存器,源操作數(shù)

MVN指令將一個立即數(shù)、一個寄存器或被移位的寄存器的值先按位求反，再傳送到目的寄存器中。后綴S表示是否影響標志位。示例：

MVNR0, #0x0FF； 將立即數(shù)0xFF按位求反后裝入R0，操作后R0=0xFFFFFF00

MVNR0, R1； 將寄存器R1的值按位求反后傳送到R0

3. ADD指令

ADD{條件}{S}目的寄存器,操作數(shù)1,操作數(shù)2

ADD指令將兩個操作數(shù)相加后，結果放入目的寄存器中。同時根據(jù)操作的結果影響標志位。示例：

ADDR0, R0, #1； R0 = R0 1

ADDR0, R1, R2； R0 = R1 R2

ADDR0, R1, R2, LSL #3； R0 = R1 (R2

4. SUB指令

SUB{條件}{S}目的寄存器,操作數(shù)1,操作數(shù)2

SUB指令用于把操作數(shù)1減去操作數(shù)2，將結果放入目的寄存器中。同時根據(jù)操作的結果影響標志位。示例：

SUBR0, R0, #1； R0 = R0 - 1

SUBR0, R1, R2； R0 = R1- R2

SUBR0, R1, R2, LSL #3； R0 = R1 - (R2

5. RSB指令

RSB{條件}{S}目的寄存器,操作數(shù)1,操作數(shù)2

RSB指令稱為逆向減法指令，用于把操作數(shù)2減去操作數(shù)1，將結果放入目的寄存器中。同時根據(jù)操作的結果影響標志位。示例：

RSBR0, R0, #0xFFFF； R0 = 0xFFFF- R0

RSBR0, R1, R2； R0 = R2 - R1

6. ADC指令

ADC{條件}{S}目的寄存器,操作數(shù)1,操作數(shù)2

ADC指令將兩個操作數(shù)相加后，再加上CPSR中的C標志位的值，將結果放入目的寄存器中。同時根據(jù)操作的結果影響標志位。示例：

ADDSR0, R0, R2

ADCR1, R1, R3； 用于64位數(shù)據(jù)加法，(R1，R0)=(R1，R0) (R3，R2)

7. SBC指令

SBC{條件}{S}目的寄存器,操作數(shù)1,操作數(shù)2

SBC指令用于操作數(shù)1減去操作數(shù)2，再減去CPSR中的C標志位值的反碼，將結果放入目的寄存器中。同時根據(jù)操作的結果影響標志位。示例：

SUBSR0, R0, R2

SBCR1, R1, R3； 用于64位數(shù)據(jù)減法，(R1，R0)=(R1，R0)-(R3，R2)

8. RSC指令

RSC{條件}{S}目的寄存器,操作數(shù)1,操作數(shù)2

RSC指令用于操作數(shù)2減去操作數(shù)1，再減去CPSR中的C標志位值的反碼，將結果放入目的寄存器中。同時根據(jù)操作的結果影響標志位。示例：

RSBSR2, R0, #0

RSCR3, R1, #0； 用于求64位數(shù)據(jù)的負數(shù)

RSCR0, R1, R2； R0 = R2 - R1-!C

9. AND指令

AND{條件}{S}目的寄存器,操作數(shù)1,操作數(shù)2

AND指令實現(xiàn)兩個操作數(shù)的邏輯與操作，將結果放入目的寄存器中。同時根據(jù)操作的結果影響標志位。常用于將操作數(shù)某些位清0。示例：

ANDR0, R1, R2； R0 = R1 & R2

ANDR0, R0, #3； R0的位0和位1不變，其余位清0

10. ORR指令

ORR{條件}{S}目的寄存器,操作數(shù)1,操作數(shù)2

ORR指令實現(xiàn)兩個操作數(shù)的邏輯或操作，將結果放入目的寄存器中。同時根據(jù)操作的結果影響標志位。常用于將操作數(shù)某些位置1。示例：

ORRR0, R0, #3； R0的位0和位1置1，其余位不變

11. EOR指令

EOR{條件}{S}目的寄存器,操作數(shù)1,操作數(shù)2

EOR指令實現(xiàn)兩個操作數(shù)的邏輯異或操作，將結果放入目的寄存器中。同時根據(jù)操作的結果影響標志位。常用于將操作數(shù)某些位置取反。示例：

EORR0, R0, #0F； R0的低4位取反

12. BIC指令

BIC{條件}{S}目的寄存器,操作數(shù)1,操作數(shù)2

BIC指令用于清除操作數(shù)1的某些位，將結果放入目的寄存器中。同時根據(jù)操作的結果影響標志位。操作數(shù)2為32位掩碼，掩碼中設置了哪些位則清除操作數(shù)1中這些位。示例：

BICR0, R0, #0F； 將R1的低4位清0，其他位不變

13. CMP指令

CMP{條件}操作數(shù)1,操作數(shù)2

CMP指令用于把一個寄存器的值減去另一個寄存器的值或立即數(shù)，根據(jù)結果設置CPSR中的標志位，但不保存結果。示例：

CMPR1, R0； 將R1的值減去R0的值，并根據(jù)結果設置CPSR的標志位

CMPR1, #0x200； 將R1的值減去0x200，并根據(jù)結果設置CPSR的標志位

14. CMN指令

CMN{條件}操作數(shù)1,操作數(shù)2

CMN指令用于把一個寄存器的值減去另一個寄存器或立即數(shù)取反的值，根據(jù)結果設置CPSR中的標志位，但不保存結果。該指令實際完成兩個操作數(shù)的加法。示例：

CMNR1, R0； 將R1的值和R0的值相加，并根據(jù)結果設置CPSR的標志位

CMNR1, #0x200； 將R1的值和立即數(shù)0x200相加，并根據(jù)結果設置CPSR的標志位

15. TST指令TST{條件}操作數(shù)1,操作數(shù)2

TST指令用于把一個寄存器的值和另一個寄存器的值或立即數(shù)進行按位與運算，根據(jù)結果設置CPSR中的標志位，但不保存結果。該指令常用于檢測特定位的值。示例：

TSTR1, #0x0F； 檢測R1的低4為是否為0

16. TEQ指令

TEQ{條件}操作數(shù)1,操作數(shù)2

TST指令用于把一個寄存器的值和另一個寄存器的值或立即數(shù)進行按位異或運算，根據(jù)結果設置CPSR中的標志位，但不保存結果。該指令常用于檢測兩個操作數(shù)是否相等。示例：

TEQR1, R2； 將R1的值和R2的值進行異或運算，并根據(jù)結果設置CPSR的標志位

3.3.3程序狀態(tài)寄存器處理指令MRS指令和MSR指令用于在狀態(tài)寄存器和通用寄存器間傳輸數(shù)據(jù)。狀態(tài)寄存器的值要通過“讀取→修改→寫回”三個步驟操作來實現(xiàn)，可先用MRS指令將狀態(tài)寄存器的值復制到通用寄存器中，修改后再通過MSR指令把通用寄存器的值寫回狀態(tài)寄存器。示例：

MRSR0, CPSR； 將CPSR的值復制到R0中

ORRR0, R0, #C0； R0的位6和位7置1，即屏蔽外部中斷和快速中斷

MSRCPSR, R0； 將R0值寫回到CPSR中

MRS指令和MSR指令的格式如下：

MRS{條件}通用寄存器, 程序狀態(tài)寄存器(CPSR或SPSR)

MSR{條件}程序狀態(tài)寄存器(CPSR或SPSR)_, 操作數(shù)

其中，MSR指令中的可用于設置程序狀態(tài)寄存器中需要操作的位： 位［31∶24］為條件標志位域，用f表示。 位［23∶16］為狀態(tài)位域，用s表示。 位［15∶8］為擴展位域，用x表示。 位［7∶0］為控制位域，用c表示。示例：

MSRCPSR_cxsf, R3

3.3.4加載/存儲指令加載/存儲指令用于在寄存器和存儲器之間傳輸數(shù)據(jù)，Load指令用于將存儲器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊拇嫫髦校琒tore指令用于將寄存器中的數(shù)據(jù)保存到存儲器中。1. LDR指令

LDR{條件}目的寄存器,

LDR指令將一個32位字數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康募拇嫫髦小Ｈ绻康募拇嫫魇荘C，從存儲器中讀出的數(shù)據(jù)將作為目的地址，以實現(xiàn)程序流程的跳轉。示例：

LDRR1, ［R0, #0x12］； 將存儲器地址為R0 0x12的字數(shù)據(jù)寫入R1

LDRR1, ［R0, R2］； 將存儲器地址為(R0 R2)的字數(shù)據(jù)寫入R1

2. STR指令

STR{條件}源寄存器,

STR指令用于從源寄存器中將一個32位字數(shù)據(jù)寫入存儲器中。示例：

STRR1, ［R0, #0x12］； 將R1中的字數(shù)據(jù)寫入以R0 0x12為地址的存儲器中

STRR1, ［R0］, #0x12； 將R1中的字數(shù)據(jù)寫入以R0 0x12為地址的存儲器中，

； 并將新地址R0 0x12寫入R0

3. LDM和STM指令

LDM(或STM){條件}{類型}基址寄存器{！},寄存器列表{∧}

LDM指令和STM指令實現(xiàn)一組寄存器和一