嵌入式ARM結(jié)構(gòu)修正 版第三章

1、第三章 ARM指令集和Thumb指令集23.1 Thumb 指令集概述3.2 Thumb 指令詳細介紹Thumb指令集3ARM開發(fā)工具完全支持Thumb指令，應(yīng)用程序可以靈活的將ARM和Thumb子程序混合編程以便在例程的基礎(chǔ)上提高性能或代碼密度。在編寫Thumb指令時，先要用偽指令CODE16聲明（ADS的編譯環(huán)境下），而且在ARM指令中要使用BX指令跳轉(zhuǎn)到Thumb指令，以切換處理器狀態(tài)。本節(jié)可以分為以下幾個部分：3.1.1 Thumb指令集編碼3.1.2 Thumb狀態(tài)切換 3.1.3 編程模型3.1.4 Thumb指令集特性3.1 Thumb指令集概述 4在任何時刻，CPSR的第5位（

2、位T）決定了ARM微處理器執(zhí)行的是ARM指令流還是Thumb指令流。當(dāng)T置1，則認為是16位的Thumb指令流；當(dāng)T置0，則認為是32位的ARM指令流。 進入Thumb模式進入Thumb指令模式有兩種方法：一種是執(zhí)行一條交換轉(zhuǎn)移指令BX，另一種方法是利用異常返回，也可以把微處理器從ARM模式轉(zhuǎn)換為Thumb模式。 退出Thumb模式 退出Thumb指令模式也有兩種方法：一種是執(zhí)行Thumb指令中的交換轉(zhuǎn)移BX指令可以顯式的返回到ARM指令流。另一種是利用異常進入ARM指令流 。狀態(tài)切換5Thumb指令集是ARM指令集的一個子集，并只能對限定的ARM寄存器進行操作。其編程模型如下圖所示： r0r

3、1r2r3r4r5r6r7r8r9r10r11r12SP（r13）LR（r14）PC（r15）Lo寄存器Hi寄存器CPSR有陰影的寄存器訪問時受到限制3.1.3 編程模型6Thumb指令繼承了ARM指令集的許多特點 Thumb指令也是采用Load/Store結(jié)構(gòu)，有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送及流控制指令等。 Thumb指令集丟棄了ARM指令集一些特性大多數(shù)Thumb指令是無條件執(zhí)行的（除了轉(zhuǎn)移指令B），而所有ARM指令都是條件執(zhí)行的。許多Thumb數(shù)據(jù)處理指令采用2地址格式，即目的寄存器與一個源寄存器相同，而大多數(shù)ARM數(shù)據(jù)處理指令采用的是3地址格式（除了64位乘法指令外）。 Thumb異常時表現(xiàn)的一

4、些特點 所有異常都會使微處理器返回到ARM模式狀態(tài)，并在ARM的編程模式中處理。由于ARM微處理器字傳送地址必須可被4整除（即字對準(zhǔn)），半字傳送地址必須可被2整除（即半字對準(zhǔn)）。而Thumb指令是2個字節(jié)長，而不是4個字節(jié)，所以，由Thumb執(zhí)行狀態(tài)進入異常時其自然偏移與ARM不同。 指令集特點716位Thumb指令集是從32位ARM指令集提取指令格式的，每條Thumb指令有相同處理器模型所對應(yīng)的32位ARM指令。3.2.1 數(shù)據(jù)處理指令；3.2.2 轉(zhuǎn)移指令； 3.2.3 Load/Store指令； 異常中斷指令。 3.2 Thumb指令集詳細介紹8Thumb數(shù)據(jù)處理指令包括一組高度優(yōu)化且相

5、當(dāng)復(fù)雜的指令，范圍涵蓋編譯器通常需要的大多數(shù)操作。ARM指令支持在單條指令中完成一個操作數(shù)的移位及一個ALU操作，但Thumb指令集將移位操作和ALU操作分離為不同的指令。本部分從以下幾個方面介紹：數(shù)據(jù)處理指令的分類ARM指令與Thumb指令比較3.2.1 Thumb數(shù)據(jù)處理指令9按照數(shù)據(jù)處理指令的功能，可以將其分為以下幾類： 算術(shù)運算指令，它又分為以下幾類： 移位和循環(huán)移位操作（ASR，LSL，LSR和ROR） 比較指令（CMP和CMN） 傳送和取負指令（MOV，MVN和NEG） 測試指令（TST） ADD與SUB低寄存器加法和減法 ADD高或低寄存器 ADD與SUBSP ADDPC或SP相

6、對偏移 ADC，SBC和MUL數(shù)據(jù)處理指令10ARM指令有一個大的（24位）偏移域（offset field），這不可能在16位Thumb指令格式中表示。為此Thumb指令集有多種方法實現(xiàn)其子功能。本部分從以下幾個方面介紹：轉(zhuǎn)移指令的匯編格式 轉(zhuǎn)移指令的分類3.2.2 Thumb轉(zhuǎn)移指令11轉(zhuǎn)移指令的匯編格式如下：轉(zhuǎn)移鏈接產(chǎn)生兩條格式3指令。格式3指令必須成對出現(xiàn)而不能單獨使用。同樣BLX產(chǎn)生一條格式3指令和一條格式3a指令。匯編器根據(jù)當(dāng)前指令地址、目標(biāo)指令標(biāo)識符的地址以及對流水線行為的微調(diào)計算出應(yīng)插入指令中相應(yīng)的偏移量。若轉(zhuǎn)移目標(biāo)不在尋址范圍內(nèi)則給出錯誤信息。 B ；格式1目標(biāo)為Thumb代

7、碼B ；格式2目標(biāo)為Thumb代碼BL ；格式3目標(biāo)為Thumb代碼BLX ；格式3a目標(biāo)為ARM代碼BLXRm；格式4目標(biāo)為ARM或Thumb代碼 轉(zhuǎn)移指令12轉(zhuǎn)移指令分類如下： B分支指令，Thumb指令集惟一可條件執(zhí)行的指令。 BL帶鏈接的長分支。 BX分支指令，并可選擇地切換指令集。 BLX帶鏈接分支，并可選地交換指令集。 轉(zhuǎn)移指令13Thumb的數(shù)據(jù)存取指令又可以分為：單寄存器數(shù)據(jù)存取指令（LDR和STR）多寄存器數(shù)據(jù)存取指令 (LDM和STM)數(shù)據(jù)存取指令14單寄存器數(shù)據(jù)存取指令（LDR和STR）匯編格式如下： Rd，Rn，# ； = LDR|LDRB|STR|STRB Rd，Rn

8、，#； = LDRH| STRH Rd，Rn，Rm； =LDR|LDRH|LDRSH|LDRB|LDRSB|STR|STRH|STRB Rd，PC，# Rd，SP，#； = LDR| STR/該兩條指令偏移量為8位15匯編格式如下：LDMIARn!， STMIARn!，POP ，pc PUSH ，lr 多寄存器數(shù)據(jù)存取指令16Thumb軟件中斷指令Thumb軟件中斷指令的匯編格式如下：SWI ；為數(shù)字表達式，其取值為0255范圍內(nèi)的整數(shù)。 3.2.4 異常中斷指令17Thumb斷點指令Thumb斷點指令的匯編格式如下：BKPT immed_8異常中斷指令184.1 ARM指令集概述4.2 AR

9、M尋址方式4.3 ARM指令詳細介紹 ARM指令集19ARM指令集是32位的，程序的啟動都是從ARM指令集開始。所有的ARM指令集都可以是有條件執(zhí)行的。本節(jié)從以下三個方面介紹：4.1.1 指令集編碼 4.1.2 條件執(zhí)行 4.1.3 指令分類及指令格式 4.1 ARM指令集概述20ARM指令集是以32位二進制編碼的方式給出的，大部分的指令編碼中定義了第一操作數(shù)、第二操作數(shù)、目的操作數(shù)、條件標(biāo)志影響位以及每條指令所對應(yīng)的不同功能實現(xiàn)的二進制位。每條32位ARM指令都具有不同的二進制編碼方式，和不同的指令功能相對應(yīng) 。指令集編碼21 ARM指令根據(jù)CPSR中的條件位自動判斷是否執(zhí)行指令，在條件滿足

10、時，指令執(zhí)行，否則指令被忽略。 在ARM的指令編碼表中，統(tǒng)一占用編碼的最高四位31：28來表示“條件碼”（即“cond”）。 條件執(zhí)行22條件碼后綴標(biāo) 志含 義0000EQZ置位相等0001NEZ清零不相等0010CSC置位無符號數(shù)大于或等于0011CCC清零無符號數(shù)小于0100MIN置位負數(shù)0101PLN清零正數(shù)或零0110VSV置位溢出0111VCV清零未溢出條件執(zhí)行23條件碼后綴標(biāo) 志含 義1001LSC清零Z置位無符號數(shù)小于或等于1010GEN等于V帶符號數(shù)大于或等于1011LTN不等于V帶符號數(shù)小于1100GTZ清零且（N等于V）帶符號數(shù)大于1101LEZ置位或（N不等于V）帶符號數(shù)

11、小于或等于1110AL忽略無條件執(zhí)行條件域表224 ARM指令集可以分為六大類分別: 數(shù)據(jù)處理指令、Load/Store指令、跳轉(zhuǎn)指令、程序狀態(tài)寄存器處理指令、協(xié)處理器指令和異常產(chǎn)生指令。 ARM指令使用的基本格式如下：opcodecondSRd,Rn，operand2 條件域表225opcode操作碼；指令助記符，如LDR、STR等。cond可選的條件碼；執(zhí)行條件，如EQ、NE等。S可選后綴；若指定“S”，則根據(jù)指令執(zhí)行結(jié)果更新CPSR中的條件碼。Rd目標(biāo)寄存器。Rn存放第1操作數(shù)的寄存器。operand2第2個操作數(shù)指令格式中符號說明264.2.1 立即尋址4.2.2 寄存器尋址4.2.3

12、 寄存器間接尋址4.2.4 基址加偏址尋址 4.2.5 堆棧尋址 4.2.6 塊拷貝尋址 4.2.7 相對尋址 4.2 ARM尋址方式27立即尋址也叫立即數(shù)尋址，這是一種特殊的尋址方式，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)，這個操作數(shù)被稱為立即數(shù)，對應(yīng)的尋址方式也就叫做立即尋址。例如以下指令： ADDR0，R0，1/*R0R01*/ ADDR0，R0，0 x3f/*R0R00 x3f*/ 在以上兩條指令中，第二個源操作數(shù)即為立即數(shù)，要求以“”為前綴，對于以十六進制表示的立即數(shù)，還要求在“”后加上“0 x”。4.2.1 立即尋址28寄存器尋址就是利用寄存器中的數(shù)值作為操作數(shù)，這

13、種尋址方式是各類微處理器經(jīng)常采用的一種方式，也是一種執(zhí)行效率較高的尋址方式。以下指令： ADD R0，R1，R2/*R0R1R2*/ 該指令的執(zhí)行效果是將寄存器R1和R2的內(nèi)容相加，其結(jié)果存放在寄存器R0中。寄存器尋址29第二操作數(shù)為寄存器型的移位操作 在ARM指令的數(shù)據(jù)處理指令中參與操作的第二操作數(shù)為寄存器型時，在執(zhí)行寄存器尋址操作時，可以選擇是否對第二操作數(shù)進行移位，即Rm，其中Rm稱為第二操作數(shù)寄存器，用來指定移位類型（LSL，LSR，ASL，ASR，ROR或RRX）和移位位數(shù)。移位位數(shù)可以是5位立即數(shù)（#）或寄存器（Rs）。在指令執(zhí)行時將移位后的內(nèi)容作為第二操作數(shù)參與運算。例如指令：

14、ADD R3，R2，R1，LSR #2 ；R3R2 + R14寄存器尋址30第二操作數(shù)移位方式 LSL：邏輯左移，空出的最低有效位用0填充。LSR：邏輯右移，空出的最高有效位用0填充。ASL：算術(shù)左移，由于左移空出的有效位用0填充，因此 它與LSL同義。ASR：算術(shù)右移，算術(shù)移位的對象是帶符號數(shù)，移30位過程中必須保持操作數(shù)的符號不變。如果源操作數(shù)是正數(shù)，空出的最高有效位用0填充，如果是負數(shù)用1填充。 ROR：循環(huán)右移，移出的字的最低有效位依次填入空出的最高有效位。RRX：帶擴展的循環(huán)右移。將寄存器的內(nèi)容循環(huán)右移1位，空位用原來C標(biāo)志位填充。寄存器尋址31寄存器尋址32第二操作數(shù)的移位位數(shù) 移

15、位位數(shù)可以用立即數(shù)方式或者寄存器方式給出,如下所示：ADD R3，R2，R1，LSR #2；R3 R2 + R14ADD R3，R2，R1，LSR R4；R3 R2 + R12R4寄存器R1的內(nèi)容分別邏輯右移2位、R4位（亦即R14、R12R4），再與寄存器R2的內(nèi)容相加，結(jié)果放入R3中。 寄存器尋址33 寄存器間接尋址就是以寄存器中的值作為操作數(shù)的地址，而操作數(shù)本身存放在存儲器中。例如以下指令： LDRR0，R1/*R0R1*/ STRR0，R1/*R1R0*/ 第一條指令將以R1的值為地址的存儲器中的數(shù)據(jù)傳送到R0中。第二條指令將R0的值傳送到以R1的值為地址的存儲器中。4.2.3 寄存器

16、間接尋址34基址變址尋址就是將寄存器（該寄存器一般稱作基址寄存器）的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量相加，從而得到一個操作數(shù)的有效地址。變址尋址方式常用于訪問某基地址附近的地址單元。采用變址尋址方式的指令又可以分為以下幾種形式：前變址模式：LDR R0，R1，4；R0R14自動變址模式：LDR R0，R1，4?。籖0R14、R1R14后變址模式：LDR R0，R1 ，4；R0R1、R1R144.2.4 基址加偏址尋址35基址寄存器的地址偏移可以是一個立即數(shù)，也可以是另一個寄存器，并且在加到基址寄存器前還可以經(jīng)過移位操作，如下所示：LDR r0，r1，r2；r0mem32r1+r2LDR r0，r1

17、，r2，LSL #2；r0r1+r2*4但常用的是立即數(shù)偏移的形式，地址偏移為寄存器形式的指令很少使用?；芳悠穼ぶ?6堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，按先進后出（First In Last Out，F(xiàn)ILO）的方式工作，使用一個稱作堆棧指針的專用寄存器指示當(dāng)前的操作位置，堆棧指針總是指向棧頂。當(dāng)堆棧指針指向最后壓入堆棧的數(shù)據(jù)時，稱為滿堆棧（Full Stack），而當(dāng)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（Empty Stack）。即訪問存儲器時，存儲器的地址向高地址方向生長，稱為遞增堆棧（ascending stack）。 存儲器的地址向低地址方向生長，稱為遞減堆棧（descendin

18、g stack）。堆棧尋址37四種類型的堆棧工作方式 ：滿遞增堆棧：堆棧指針指向最后壓入的數(shù)據(jù)，且由低地址向高地址生成。滿遞減堆棧：堆棧指針指向最后壓入的數(shù)據(jù)，且由高地址向低地址生成?？者f增堆棧：堆棧指針指向下一個將要放入數(shù)據(jù)的空位置，且由低地址向高地址生成。空遞減堆棧：堆棧指針指向下一個將要放入數(shù)據(jù)的空位置，且由高地址向低地址生成。堆棧尋址38塊拷貝尋址是多寄存器傳送指令LDM/STM的尋址方式。LDM/STM指令可以把存儲器中的一個數(shù)據(jù)塊加載到多個寄存器中，也可以把多個寄存器中的內(nèi)容保存到存儲器中。尋址操作中的寄存器可以是R0-R15這16個寄存器的子集或是所有寄存器。LDM/STM指令依

19、據(jù)其后綴名的不同其尋址的方式也有很大不同，見下表。4.2.6 塊拷貝尋址3940 與基址變址尋址方式相類似，相對尋址以程序計數(shù)器PC的當(dāng)前值為基地址，指令中的地址標(biāo)號作為偏移量，將兩者相加之后得到操作數(shù)的有效地址。以下程序段完成子程序的調(diào)用和返回，跳轉(zhuǎn)指令BL采用了相對尋址方式：BLNEXT；跳轉(zhuǎn)到子程序 ； NEXT處執(zhí)行NEXTMOVPC，LR；從子程序返回 相對尋址414.3.1 數(shù)據(jù)處理指令4.3.2 Load/Store指令4.3.3 程序狀態(tài)寄存器與通用寄存器之間 的傳送指令4.3.4 轉(zhuǎn)移指令4.3.5 異常中斷指令4.3.6 協(xié)處理器指令4.3 ARM指令詳細介紹 42ARM的

20、數(shù)據(jù)處理指令主要完成寄存器中數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運算操作。本節(jié)按以下內(nèi)容組織： 數(shù)據(jù)處理指令分類數(shù)據(jù)處理指令表4.3.1 數(shù)據(jù)處理指令43數(shù)據(jù)處理指令根據(jù)指令實現(xiàn)處理功能可分為以下六類： 數(shù)據(jù)傳送指令； 算術(shù)運算指令； 邏輯運算指令； 比較指令； 測試指令； 乘法指令。數(shù)據(jù)處理指令分類44數(shù)據(jù)處理指令的詳細列表如下：操作碼24：21助記符意義效果0000AND邏輯位與Rd = Rn AND Op20001EOR邏輯位異或Rd = Rn EOR Op20010SUB減Rd = Rn - Op20011RSB反向減Rd = Op2 Rn0100ADD加Rd = Rn + Op20101ADC帶進位加R

21、d = Rn + Op2 + C0110SBC帶進位減Rd = Rn - Op2 + C -10111RSC反向帶進位減Rd = Op2 - Rn + C -11000TST測試根據(jù)Rn AND Op2設(shè)置條件碼1001TEQ測試相等根據(jù)Rn EOR Op2設(shè)置條件1010CMP比較根據(jù)Rn - Op2設(shè)置條件碼1011CMN負數(shù)比較根據(jù)Rn + Op2設(shè)置條件碼1100ORR邏輯位或Rd = Rn OR Op21101MOV傳送Rd = Op21110BIC位清零Rd = Rn AND NOT Op21111MVN求反Rd = NOT Op245ARM的數(shù)據(jù)存取指令Load/Store是唯一

22、用于寄存器和存儲器之間進行數(shù)據(jù)傳送的指令。ARM指令集中有三種基本的數(shù)據(jù)存取指令： 單寄存器的存取指令（LDR，STR） 多寄存器存取指令（LDM，STM） 單寄存器交換指令（SWP） 4.3.2 Load/Store指令 46單寄存器存取指令是ARM在寄存器和存儲器間傳送單個字節(jié)和字的最靈活方式。根據(jù)傳送數(shù)據(jù)的類型不同，單個寄存器存取指令又可以分為以下兩類： 單字和無符號字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送指令 半字和有符號字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送指令單寄存器的存取指令 47這一類數(shù)據(jù)傳送指令的匯編格式如下： 前變址格式LDR|STR B Rd， Rn， ! 后變址格式LDR|STR B T Rd， Rn， 相對PC的形式

23、LDR|STR B Rd， LABEL 單字和無符號字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送指令48多寄存器傳送指令可以用一條指令將16個可見寄存器（R0R15）的任意子集合（或全部）存儲到存儲器或從存儲器中讀取數(shù)據(jù)到該寄存器集合中。與單寄存器存取指令相比，多寄存器數(shù)據(jù)存取可用的尋址模式更加有限。多寄存器存取指令的匯編格式如下：LDM/STM Rn!， 多寄存器存取指令49程序狀態(tài)寄存器通用寄存器之間的傳送指令A(yù)RM指令中有兩條指令，用于在狀態(tài)寄存器和通用寄存器之間傳送數(shù)據(jù)。修改狀態(tài)寄存器一般是通過“讀取修改寫回”三個步驟的操作來實現(xiàn)的。 這兩條指令分別是：狀態(tài)寄存器到通用寄存器的傳送指令（MRS）通用寄存器到狀態(tài)寄存

24、器的傳送指令（MSR） 50其匯編格式如下：MRS Rd，CPSR|SPSR MRS51其匯編格式如下：MSR CPSR_f | SPSR_f，#MSR CPSR_ | SPSR_，Rm MSR52ARM的轉(zhuǎn)移指令可以從當(dāng)前指令向前或向后的32MB的地址空間跳轉(zhuǎn)，根據(jù)完成的功能它可以分為以下4種 ： B 轉(zhuǎn)移指令 BL 帶鏈接的轉(zhuǎn)移指令 BX 帶狀態(tài)切換的轉(zhuǎn)移指令 BLX 帶鏈接和狀態(tài)切換的轉(zhuǎn)移指令 轉(zhuǎn)移指令53轉(zhuǎn)移指令B在程序中完成簡單的跳轉(zhuǎn)指令，可以跳轉(zhuǎn)到指令中指定的目的地址。BL指令完全象轉(zhuǎn)移指令一樣地執(zhí)行轉(zhuǎn)移，同時把轉(zhuǎn)移后面緊接的一條指令的地址保存到鏈接寄存器LR（r14）。匯編格式如

25、下：BL轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)移鏈接指令（B，BL） 54轉(zhuǎn)移交換和轉(zhuǎn)移鏈接交換（BX，BLX） 這些指令用于支持Thumb（16位）指令集的ARM芯片，程序可以通過這些指令完成處理器從ARM狀態(tài)到Thumb狀態(tài)的切換。類似的Thumb指令可以使處理器切換回32位ARM指令。匯編格式如下：1： BLX Rm2： BLX 55異常中斷指令可以分為一下兩種：軟件中斷指令（SWI） 斷點指令（BKPT僅用于v5T體系）軟件中斷指令SWI用于產(chǎn)生SWI異常中斷，用來實現(xiàn)在用戶模式下對操作系統(tǒng)中特權(quán)模式的程序的調(diào)用；斷點中斷指令BKPT主要用于產(chǎn)生軟件斷點，供調(diào)試程序用。 異常中斷指令56SWI（SoftWare Interrupt）代表“軟件中斷”，用于用戶調(diào)用操作系統(tǒng)的系統(tǒng)例程，常稱為“監(jiān)控調(diào)用”。它將處理器置于監(jiān)控（SVC）模式，從地址0 x08開始執(zhí)行指令。其匯編格式如下：S