第三章 ARM指令集

3.1 ARM指令集簡介

• ARM微處理器的ARM指令集 ，所有的指令長度都是32位 ，并且大多數指令都在一個單獨指令周期內執行。
  • 主要特點：
    • 指令是條件執行的
    • ARM微處理器的指令集是加載/存儲型的
    • 在多寄存器操作指令中一次最多可以完成 16個寄存器的數據傳送

3.1.1 ARM指令格式

一、 ARM指令格式

<opcode>{<Condition>}{S} {<Rd>}{，<Rn>}{，<Operand2>}

• 格式中< >的內容必不可少，{ }中的內容可省略。

  • <opcode>表示操作碼，如ADD表示算術加法
  • {<cond>}表示指令執行的條件域，如EQ、NE等
  • {S}決定指令的執行結果是否影響CPSR的值，使用該后綴則指令執行的結將果影響CPSR的值，否則不影響。
  • <Rd>表示目標或源寄存器
  • <Rn>表示第一個操作數，為寄存器
  • <Operand2>表示第二個操作數，可以是立即數、寄存器和寄存器移位操作數

• 除了<opcode>其余域都可以選擇使用。

• 舉例

  例如： 指令ADDEQS R0,R1,#8；操作碼為ADD，條件域cond為EQ，S表示該指令的執行影響CPSR寄存器的值，目的寄存器Rd為R0，第一個操作數寄存器Rn為R1，第二個操作數OP2為立即數＃8。執行結果：R0 = R1+ 8
  

二、 指令的機器碼

• 從形式上看，ARM指令在機器中的表示格式是用32位的二進制數表示。
  • 如ARM中有一條指令為：
    • ADDEQS R0, R1, #8
    • 其二進制代碼形式為

31～28	27～25	24～21	20	19～16	15～12	11～0
0000	001	0100	1	0001	0000	000000001000
cond		opcode	s	Rn	Rd	Op2

• ARM指令一般可以分為5個域

  • 第1個域–4位
    • 是4位[31:28]的條件碼域，4位條件碼共有16種組合
  • 第2個域–8位
    • 是指令代碼域[27:20]，除了指令編碼外，還包含幾個很重要的指令特征和可選后綴的編碼
  • 第3個域–4位
    • 是第1個操作數寄存器Rn，是4位[19:16],為R0～R15共16個寄存器編碼
  • 第4個域–4位
    • 是目標或源寄存器Rd，是4位[15:12],為R0～R15共16個寄存器編碼
  • 第5個域–12位
    • 是第二個操作數[11:0]。

三、指令的可選后綴

1. S后綴

   • 指令中使用S后綴時，指令執行后，CPSR的條件標志位將被刷新
   • 不使用S后綴時，指令執行后，CPSR的條件標志將不會發生變化。

   例:假設R0=0x1,R3=0x3,指令執行之前CPSR部分標志位為 nZcv,分別執行如下指令CPSR的值有何變化？SUB R1,R0,R3SUBS R1,R0,R3
   

   • 分析：
     • 執行第1條指令對于標志寄存器的值沒有任何影響，因此CPSR的值不變。
     • 執行第2條指令后CPSR=Nzcv。

2. ！后綴

   • 如果指令地址表達式中不含！后綴，則基址寄存器中的地址值不會發生變化。

   • 指令中的地址表達式中含有！后綴時，指令執行后，基址寄存器中的地址值將發生變化，變化的結果如下：

     • 基址寄存器中的值（指令執行后）＝指令執行前的值＋地址偏移量

     例:分別執行下面兩條指令有何區別？LDR R3,[R0,#4] LDR R3,[R0,#4]！
     

     • 分析：
       • 第1條指令沒有！后綴，指令的結果是把R0加4作為地址指針，把這個指針所指向的地址單元所存儲的數據讀入R3，R0的值不變
       • 第2條指令除了實現以上操作外，還把R0＋4的結果送到R0中

   • 使用！后綴需要注意如下事項：

     • ！后綴必須緊跟在地址表達式后面，而地址表達式要有明確的地址偏移量
     • ！后綴不能用于R15(PC)的后面
     • 當用在單個地址寄存器后面時，必須確信這個寄存器有隱性的偏移量
       • 例如“STMIA R7!, {R0 – R3}”
         • 此時地址基址寄存器R7的隱性偏移量是16字節（因為連續壓棧了4個寄存器的值，每一個寄存器的值為4字節長度，即一個字）
         • 如果R7的初始值為 0X40000000，則該語句結束后為0X40000010

3. B后綴

   • 指令所涉及的數據是一個字節，不是一個字或半字

   LDR R4，[R0]R4=[R0]，指令傳送一個字
   LDRB R4，[R0]R4=[R0]，指令傳送一個字節
   LDREQB R4，[R0]如果相等則執行，R4=[R0]，指令傳送一個字節

3.1.2 ARM指令的條件碼

• 當處理器工作在 ARM狀態時，幾乎所有的指令均能根據CPSR中的條件標志位的狀態和指令的條件域有條件地執行。

  • 當指令的執行條件滿足時，指令被執行，否則指令被忽略
  • 條件后綴只影響指令是否執行，不影響指令的內容

• ARM指令的條件碼和助記符如下表所示：（不用記）

  條件碼	條件碼助記符	CPSR中條件標志位值	含義
  0000	EQ	Z=1	相等
  0001	NE	Z=0	不相等
  0010	CS/HS	C=1	無符號數大于或等于
  0011	CC/LO	C=0	無符號數小于
  0100	MI	N=1	負數
  0101	PL	N=0	正數或零
  0110	VS	V=1	溢出
  0111	VC	V=0	未溢出
  1000	HI	C=1且Z=0	無符號數大于
  1001	LS	C=0或Z=1	無符號數小于或等于
  1010	GE	N=V	帶符號數大于或等于
  1011	LT	N!=V	帶符號數小于
  1100	GT	Z=0且N=V	帶符號數大于
  1101	LE	Z=1或N!=V	帶符號數小于或等于
  1110	AL		無條件執行
  1111	NV	ARMV3之前	從不執行(不要使用)

  • 條件后綴和S后綴的關系
    • 如果既有條件后綴又有S后綴，則書寫時S排在后面
      • 如：ADDEQS R1,R0,R2
        • 該指令在Z=1時執行，將R0+R2的值放入R1，同時刷新條件標志位
    • 條件后綴是要測試條件標志位，而S后綴是要刷新條件標志位
    • 條件后綴要測試的是執行前的標志位，而S后綴是依據指令的結果改變條件標志

3.1.3 ARM指令分類

• ARM 指令可以分為：分支指令、數據處理指令、存儲訪問指令、協處理器指令、雜項指令五類。

1. 分支指令：分支指令用于控制程序的執行流程、實現ARM代碼與Thumb代碼之間進行切換。
2. 數據處理指令：數據處理指令在通用寄存器上執行計算
   • 主要分為3種：算術/邏輯指令、比較指令和乘法指令。
3. 存儲訪問指令：用于 加載/存儲 存放于MCU片外存儲系統中的數據。
   • 加載指令用于從內存中讀取數據放入寄存器中
   • 存儲指令用于將寄存器中的數據保存到內存中
4. 協處理器指令：ARM協處理器指令用于控制外部的協處理器。包括：
   • 數據處理指令：啟動一個協處理器專用的內部操作。
   • 數據轉移指令：使數據在協處理器和存儲器之間進行轉移。
   • 寄存器轉移指令：協處理器值轉移到ARM寄存器或ARM寄存器的值轉移到協處理器。
5. 雜項指令：包括狀態寄存器轉移指令和異常中斷產生指令。
   • 狀態寄存器轉移指令
     • 將CPSR或SPSR的內容轉移到一個通用寄存器，或者反過來將通用寄存器的內容寫入CPSR或SPSR寄存器
   • ARM有兩條異常中斷產生指令，分別為 軟中斷指令SWI 和 斷點中斷指令BKPT

3.2 指令尋址方式

3.2.1 立即數尋址

• 立即數尋址也叫立即尋址，操作數本身就在指令中給出，取出指令也就取到了操作數。這個操作數被稱為立即數，對應的尋址方式也就叫做立即數尋址。

  • 立即數要求以“＃”為前綴

    • 對于以十六進制表示的立即數，還要求在“＃”后加上**“0x”或“&”**
    • 對于以二進制表示的立即數，要求在“#”后加上**“0b”**
    • 對于以十進制表示的立即數，要求在“#”后加上**“0d”或缺省**

  • 舉例

    • MOV R0, #15 ; R0←＃15

      • 此指令是將立即數15傳送到R0中，該指令的機器編碼為E3A0000FH（H表示16進制）

      • 由指令編碼中0x00F即可得到一個32位的立即0x0000000FH，這個數再送入R0

    • Q：如何在指令編碼中表達32位立即數？

    • A：

      

      

      

3.2.2 寄存器尋址

• 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采用的一種方式，也是一種執行效率較高的尋址方式
  • 例：
    • MOV R1，R2 ；R1←R2
    • ADD R0，R1，R2 ；R0←R1＋R2

3.2.3 寄存器移位尋址

• 當第二操作數為寄存器型時，在執行寄存器尋址操作時，也可以對第二操作數寄存器進行移位，此時第二操作數形式為：
  • ADD Rd, Rn, Rm，{<shift>}
    • 其中：
      • Rm：稱為第二操作數寄存器
      • <shift>：用來指定移位類型和移位位數，有兩種形式：
        • 5位立即數（其值小于32）
        • 寄存器(用Rs表示)（其值小于32）
• 在指令執行時，將寄存器移位后的內容，作為第二操作數參與運算。
  • 例如指令：
    • ADD R3，R2，R1，LSR #2 ；R3←R2+(R1右移2位)
    • ADD R3，R2，R1，LSR R0 ；R3←R2+(R1右移R0位)
• 第二操作數的移位方式
  • LSL 邏輯左移 ：
    • 邏輯左移，空出的最低有效位用0填充。
    • SUB R3，R2，R1，LSL #2 ；R3←R2-(R1左移2位)
  • LSR 邏輯右移 ：
    • 邏輯右移，空出的最高有效位用0填充。
    • SUB R3，R2，R1，LSR R0 ；R3←R2-(R1右移R0位)
  • ASL 算術左移 ：
    • 算術左移，由于左移空出的有效位用0填充，因此它與LSL同義。
  • ASR 算術右移 ：
    • 算術右移 (Arithmetic Shift Right) 。算術移位的對象是帶符號數，移位過程中必須保持操作數的符號不變。如果源操作數是正數，空出的最高有效位用0填充，如果是負數用1填充。
  • ROR 循環右移
    • 循環右移(Rotate Right)，移出的字的最低有效位依次填入空出的最高有效位
  • RRX 帶擴展的循環右移
    • 帶進位位的循環右移(Rotate Right Extended) 。將寄存器的內容循環右移1位，空位用原來C標志位填充
    • SUB R3，R2，R1，RRX ；R3←R2-(R1帶進位位循環右移1位)
• 第二操作數的移位位數
  • 移位位數可以用立即數方式或者寄存器方式給出，其值均小于32，應為0—31。
  • 如下所示：
    • ADD R3，R2，R1，LSR #2 ；R3=R2+(R1右移2位)
    • ADD R3，R2，R1，LSR R4 ；R3=R2+(R1右移R4位)
    • 寄存器R1的內容分別邏輯右移2位、R4位,再與寄存器R2的內容相加，結果放入R3中。

3.2.4 寄存器間接尋址

• 寄存器間接尋址就是以寄存器中的值作為操作數的地址，而操作數本身存放在存儲器中。
  • 例：LDR R0，[R4] ；R0←[R4]

3.2.5 基址變址尋址

1. 變址尋址

   • 也叫基址變址尋址：將基址寄存器的內容與指令中給出的地址偏移量相加，得到操作數所在的存儲器的有效地址。

   • 變址尋址方式常用于訪問某基地址附近的地址單元。（4K范圍的偏移）

     

     • 例如： LDR R0，[R1，＃4] ；R0←mem32[R1＋4]

2. 加偏移地址的方式

   • 前變址模式（不修改基址寄存器）：

     • 先基址+偏址，生成操作數地址，再做指令指定的操作。也叫前索引偏移。

       

   • 自動變址模式(修改基址寄存器)：

     • 先基址+偏址，生成操作數地址，做指令指定的操作
     • 然后自動修改基址寄存器。
       • 例如：LDR R0，[R1，＃4]！
         • 先 R0←mem32 [R1＋4]
         • 然后 R1←R1＋4
         • ！ 表示更新基址寄存器。

   • 后變址模式(修改基址寄存器)：

     • 基址寄存器不加偏移作為操作數地址。

     • 完成指令操作后，用(基址+偏移)的值修改基址寄存器

     • 即先用基地址傳數，然后修改基地址（基址+偏移），也叫后索引偏移

       

3. 偏移地址形式

   • 可以是一個立即數，也可以是另一個寄存器，并且還可以是寄存器移位操作。

     • 常用的是立即數偏移的形式。

   • 如下所示：

     • LDR R2，[R3，#0X0C] ;R2< —[R3+0X0C]

     • STR R1，[R0，#-0x4]!

       • ;R1 —>mem32[R0-4]，
       • ;R0=R0-4

     • LDR r0，[r1，r2] ;r0<—mem32[r1+r2]

     • LDR r0，[r1，r2，LSL #2] ;r0<—mem32[r1+r2*4]]

3.2.6 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寄存器值的傳送。
• 這種尋址方式是多寄存器傳送指令 LDM/STM 的尋址方式，這種尋址方式中用一條指令最多可傳送16個通用寄存器的值。
• 連續的寄存器間用 - 連接，否則用 , 分隔。
  • LDMIA R0！，{R1-R4} ；R1←**[R0]、R2←[R0＋4]、R3←[R0＋8]、R4←[R0＋12]**
• 注意：
  • 對于所有LDM/STM指令而言，寄存器序號低的，在低地址單元，序號大的在高地址單元！
  • 與書寫順序無關！

?

• 4種尋址操作
  • LDMIA/STMIA Increment After(先傳送，后地址加4)
  • LDMIB/STMIB Increment Before(先地址加4 ,后傳送)
  • LDMDA/STMDA Decrement After(先傳送，后地址減4)
  • LDMDB/STMDB Decrement Before (先地址減4,后傳送)

3.2.7 堆棧尋址

• 堆棧是一種數據結構，按后進先出（Last In First Out， LIFO）的方式工作，使用一個稱作堆棧指針的專用寄存器指示當前的操作位置，堆棧指針總是指向棧頂。

• 堆棧可分為兩種增長方式：

  • 向上生長：向高地址方向生長，稱為遞增堆棧
  • 向下生長：向低地址方向生長，稱為遞減堆棧

• 根據堆棧指針指向的數據位置的不同，可分為：

  • 滿堆棧：堆棧指針指向最后壓入堆棧的有效數據項，稱為滿堆棧；
  • 空堆棧：堆棧指針指向下一個待壓入數據的空位置，稱為空堆棧。

• 這樣就有4種類型的堆棧表示遞增和遞減的滿和空堆棧的各種組合。

  • 四種類型的堆棧工作方式
    • 滿遞增堆棧FA(Full Ascending)：堆棧指針指向最后壓入的數據，且由低地址向高地址生長。
    • 滿遞減堆棧FD(Full Descending） ：堆棧指針指向最后壓入的數據，且由高地址向低地址生長。
    • 空遞增堆棧EA(Empty Ascending)：堆棧指針指向下一個將要放入數據的空位置，且由低地址向高地址生長。
    • 空遞減堆棧ED(Empty Descending)：堆棧指針指向下一個將要放入數據的空位置，且由高地址向低地址生長。
  • 也就是說上面的遞增遞減都指的是堆棧生長方向，即入棧時遞增還是遞減

  

3.2.8 相對尋址

• 與基址變址尋址方式相類似，相對尋址以程序計數器PC的當前值為基地址，指令中的地址標號作為偏移量，將兩者相加之后得到操作數的有效地址。

3.3 ARM指令集

3.3.1 分支指令

• 在ARM中有兩種方式可以實現程序的跳轉：

  • 一種是使用分支轉移指令直接跳轉；
  • 另一種則是直接向PC寄存器賦值來實現跳轉。

• ARM的分支轉移指令，可以從當前指令向前或向后的32MB的地址空間跳轉，根據完成的功能它可以分為以下4種

  

一、B & BL

• B 指令與 BL 指令的編碼格式如下：

  

  • 從編碼中看到L控制了PC與LR寄存器之間的開關。
    • 當L=0 時，該開關斷開，指令為B指令；
    • 當L=1時，該開關接通，指令為BL指令。
  • Signed_immed_24表示24位有符號的立即數（偏移量）

• B 和 BL 指令的助記符格式為：

  • B{<cond>} <target>和BL{<cond>} <target>
    • cond表示指令執行條件
    • target表示跳轉地址
    • 功能：跳轉到指定地址執行，地址范圍限制在當前PC寄存器所指向的指令地址的±32MB范圍
  • 跳轉指令也叫程序轉移指令。
  • 寫匯編程序時，可以跳轉到一個絕對地址，如:
    • B 0x1234 （注： B #0x1234是錯誤的 ）
    • 編譯器會把該絕對地址轉換為相對地址放入指令中

• signed_immed_24 間接提供目標地址，真正的目標地址是由處理器根據這個有符號數和當前的PC值計算出來的。

  • 具體計算為：
    • 先將 signed_immed_24 左移兩位（即具有26位的偏移量），并擴展為32位有符號數
    • 然后再將這32位有符號數與 PC 的當前值相加，得到實際的跳轉地址。
    • 因此B 和 BL 指令轉移的偏移量為 26 位，即轉移的跨度為前后 32MB 地址空間

• B和BL的區別：

  • BL在跳轉之前會把BL指令的下一條指令地址（斷點地址）保存到連接寄存器 LR（R14），因此程序在必要的時候可以通過將 LR 的內容加載到 PC 中，使程序返回到跳轉點。
  • BL 指令經常被用來調用一個子程序。

二、BX

• BX 指令的格式：

  • BX{<cond>} Rm
  • cond表示指令執行條件
  • Rm寄存器，值是絕對地址值，不是偏移量，在指令執行后，Rm中的地址值與#0XFFFF FFFE 進行 “與” 運算，再被復制到程序計數器PC。
    • Rm[0]為1時，強制程序從ARM指令狀態跳轉到Thumb指令狀態。
    • Rm[0]為0時，強制程序從Thumb 指令狀態跳轉到ARM指令狀態。
  • 功能: 跳轉到指令中所指定的目標地址，并實現狀態切換。（T<-Rm[0]）

• 指令編碼格式

  

三、BLX

• BLX 指令的格式有兩種：
  • BLX <target> 和 BLX{<cond>} Rm
    • 以target方式提供目標地址的 BLX 指令的功能是：
      • 把程序跳轉到指令中所指定的目標地址繼續執行，并同時將處理器的工作狀態從ARM狀態切換到Thumb狀態，并將下一條的地址保存到寄存器 LR 中。
    • 以 Rm 方式提供目標地址的 BLX 指令，除了跳轉和下一條的地址保存到LR之外，也可進行狀態切換，但其切換的依據是Rm最低位的值。
      • 如果值為0 ，則目標地址處應為 ARM指令
      • 如果值為1 ，則目標地址處應為 Thumb 指令

四、長跳轉

• 另一種實現指令跳轉的方式是通過直接向 PC 寄存器中寫入目標地址值，實現在4GB 地址空間中任意跳轉，這種跳轉又稱為長跳轉。
• 如果在長跳轉指令之前使用“MOV LR，PC” 等指令，可以保存將來返回的地址值，也就實現了在 4GB 的地址空間中的子程序調用。

3.3.2 數據處理指令

一、數據處理指令概述

1. ARM數據處理指令的功能

   • 主要完成寄存器中數據的算術和邏輯運算操作。

2. ARM數據處理指令的特點

   • 操作數來源：所有的操作數要么來自寄存器，要么來自立即數，不會來自存儲器。
   • 操作結果：如果有結果，則結果一定是為32位寬、或64位寬（長乘法指令），并且放在一個或兩個寄存器中，不會寫入存儲器。
   • 有第二個操作數（除了乘法指令）Operand2 ：切記其三種形式：立即數、寄存器、寄存器移位。
   • 乘法指令的操作數：全部是寄存器。

3. ARM數據處理指令分類

   • 22條可分為5類：
     • 算術運算指令：ADD ADC SUB SBC RSB RSC MUL MLA UMULL UMLAL SMULL SMLAL
     • 邏輯運算指令：AND ORR EOR BIC
     • 數據傳送指令：MOV MVN
     • 比較指令：CMP CMN
     • 測試指令：TST TEQ
   • 上述指令只能對寄存器操作，不能針對存儲器

4. 數據處理指令對程序狀態寄存器CPSR的影響

   • 指令中可以選擇s后綴，以影響狀態標志。

     • 但是比較指令（CMP和CMN）和測試指令(TST和TEQ)不需要后綴S，它們總會直接影響CPSR中的狀態標志

   • 關于恢復CPSR原值問題：

     • 如果指令帶有S后綴（除了比較指令以外），同時又以PC為目標寄存器進行操作:

       • 在異常模式下：則操作的同時從SPSR恢復CPSR

       • 比如：

         movs pc, #0xff	/* cpsr = spsr; pc = 0xff */
         adds pc, r1, #0xff00/* cpsr = spsr; pc = r1 + 0xff00 */
         ands pc, r1, r2	/* cpsr = spsr; pc = r1 & r2; */
         

         • 在user或者system模式：會產生不可預料的結果，因為在這兩種模式下沒有SPSR

5. 數據處理指令的詳細列表（未含6條乘法指令）

   

   • 指令編碼格式

     

     • opcode為數據處理指令操作碼
     • I用于區別立即數(I為1)或寄存器移位(I為0)
     • S用于設置標志位
     • Rn為第一操作數寄存器，Rd為目標寄存器
     • operand2為第二個操作數，若指令不需要全部的可用操作數時(如MOV指令的Rn)，不用的寄存器域應設置為0(由編譯器自動完成)
     • 對于比較指令,b20位固定為1。

二、算術運算指令

1. 加減運算指令

   • ADD——加法運算指令

     • 指令格式：ADD{cond}{S} Rd，Rn，operand2

     • ADD指令把第1源操作數寄存器Rn和第2源操作數operand2相加后，將結果存放到目的寄存器 Rd

     • 執行流程（后面的指令，流程類似便不再列舉了）

       

       • 舉例：
         • ADD R0，R1，R2 ；R0←（R1）+（R2）
         • ADD R0，R1，#255 ；R0 ←（R1）+ 255
         • ADD R0，R2，R3，LSL#1 ；R0 ←（R2） +（R3<<1）

     • 受影響的CPSR標志位	取值
       N	寄存器Rd[31]被復制到N
       Z	如果Rd為0，則Z=1，否則Z=0
       C	運算結果有進位C=1，否則C=0
       V	運算結果有溢出V=1，否則V=0

   • ADC——帶進位加法指令

     • 指令格式：ADC{cond}{S} Rd，Rn，operand2
     • ADC指令將operand2的數據與Rn的值相加，再加上CPSR中的C條件標志位，結果保存到Rd寄存器。
     • 標志位只修改 N、Z、C、V這4個標志位
     • ADC通常用來實現字長大于32位的加法運算。

   • SUB——減法運算指令

     • 指令格式：SUB{cond}{S} Rd，Rn，operand2

     • SUB指令用寄存器Rn減去operand2，結果保存到Rd中

     • 受影響的CPSR標志位	取值
       N	寄存器Rd[31]被復制到N
       Z	如果Rd為0則Z=1,否則Z=0
       C	運算結果有借位則C=0,否則C=1
       V	運算結果有溢出則V=1,否則V=0

   • SBC——帶進位減法指令

     • 指令格式：SBC{cond}{S} Rd，Rn，operand2
     • SBC指令用寄存器Rn減去operand2，再減去CPSR中的C條件標志位的反碼，結果保存到Rd中。
     • 標志位的修改同 SUB。
     • 該指令主要用于字長大于 32 位的數據的減法運算。

   • RSB——逆(反)向減法指令

     • 指令格式：RSB{cond}{S} Rd，Rn，operand2
     • RSB指令用operand2減去寄存器Rn，結果保存到Rd中。

   • RSC——帶進位反向減法指令

     • 指令格式：RSC{cond}{S} Rd，Rn，operand2
     • RSC 指令用寄存器operand2減去Rn，再減去CPSR中的C條件標志位的反碼，結果保存到Rd中。

2. 乘法指令

   • ARM有兩類乘法指令：

     • 32位的乘法指令，即乘法操作的結果為32位

     • 64位的乘法指令，即乘法操作的結果為64位

       

   • MUL——32位乘法指令

     • 指令格式：MUL{cond}{S} Rd，Rm，Rs

     • MUL指令將Rm和Rs中的值相乘，結果的低32位保存到Rd中（Rd ≠ Rm）

       

     • 受影響的CPSR標志位	取值
       N	寄存器Rd[31]被復制到N
       Z	如果Rd為0則Z=1，否則Z=0

   • MLA——32位乘加指令

     • 格式：MLA{cond}{S} Rd，Rm，Rs，Rn
     • 指令將Rm和Rs中的值相乘，再將乘積加上第3個操作數，結果的低32位保存到Rd中（ Rd ≠ Rm ）
     • 標志位的修改同 MUL

   • UMULL——64位無符號乘法指令

     • 指令格式：UMULL{cond}{S} RdLo，RdHi，Rm，Rs ； RdHi, RdLo← Rm*Rs

     • UMULL指令將Rm和Rs中的值作無符號數相乘，結果的低32位保存到RdLo中，高32位保存到RdHi中

     • 受影響的CPSR標志位	取值
       N	寄存器**RdHi[31]**被復制到N
       Z	如果RdHi且Rdlo為0，則Z=1，否則Z=0

   • **UMLAL——64位無符號乘加指令 **

     • 指令格式：UMLAL{cond}{S} RdLo，RdHi，Rm，Rs ；RdHi, RdLo← Rm*Rs+ RdHi, RdLo
     • UMLAL指令將Rm和Rs中的值作無符號數相乘，64位乘積與RdHi、RdLo相加，結果的低32位保存到RdLo中，而高32位保存到RdHi中
     • 標志的修改同 UMULL

   • SMLAL—64位有符號乘加指令

     • 指令格式：SMLAL{cond}{S} RdLo，RdHi，Rm，Rs ； RdHi, RdLo← Rm*Rs+ RdHi, RdLo
     • SMLAL指令將Rm和Rs中的值作有符號數相乘，64位乘積與RdHi、RdLo相加，結果的低32位保存到RdLo中，高32位保存到RdHi中
     • 標志的修改同 SMULL。

   • 乘法指令的特點

     • 不支持第2操作數為立即數
     • 結果寄存器不能與第一源寄存器相同。
     • Rd、RdHi、RdLo不能與Rm為同一寄存器。
     • RdHi和RdLo不能為同一寄存器。
     • 避免將R15定義為任一操作數或結果寄存器。

   • 乘法指令對標志位的影響

     • 對N標志位：
       • 若結果是32位指令形式，Rd的第31位是標志位N
       • 對于產生長結果的指令形式，RdHi的第31位是標志位N
     • 對Z標志位：如果Rd或RdHi、RdLo為0，則標志位Z置位
     • 對V標志位：乘法指令不影響V標志位
     • 對C標志位： ARM v5及以上的版本不影響C標志位； ARM v5以前的版本，C標志位數值不確定

   • 指令編碼格式

     

     • opcode為乘法指令操作碼
     • S為設置標志位
     • Rm為被乘數寄存器，Rs為乘數的寄存器
     • Rn/RdLo用于MLA指令相加的寄存器或64位乘法指令的目標寄存器(低32位)。
     • Rd/RdHi用于目標寄存器或64位乘法指令的目標寄存器(高32位)。
     • 若指令不需要全部的可用操作數時(如MUL指令的Rn)，不用的寄存器域應設置為0(由編譯器自動完成)。

三、邏輯運算指令（按位邏輯操作指令）

• AND——邏輯“與”操作指令

  • 指令格式：AND{cond}{S} Rd，Rn，operand2

  • AND指令將operand2的值與寄存器Rn的值**按位邏輯“與”**操作，結果保存到Rd中。

  • 執行流程

    

  • 受影響的CPSR標志位	取值
    N	寄存器Rd[31]被復制到N
    Z	如果Rd為0則Z=1，否則Z=0
    C	不影響C標志位

    AND指令可用于提取寄存器中某些位的值，也可以用于把指定位清0

• ORR——邏輯“或”操作指令

  • 指令格式： ORR{cond}{S} Rd，Rn，operand2
  • ORR指令將**operand2的值與寄存器Rn的值按位邏輯“或”**操作，結果保存到Rd中。
  • ORR指令用于將寄存器中某些位的值設置成1
  • 標志位的影響同AND。

• EOR——邏輯“異或”操作指令

  • 指令格式：EOR{cond}{S} Rd，Rn，operand2
  • EOR指令將**operand2的值與寄存器Rn的值按位邏輯“異或”**操作，結果保存到Rd中。
  • EOR指令可用于將寄存器中某些位的值取反
    • 與0異或，該位值不變
    • 與1異或，該位值被求反
  • 標志位的影響同AND

• BIC——位清除指令

  • 指令格式：BIC{cond}{S} Rd，Rn，operand2
  • BIC指令將寄存器Rn的值與operand2的值的反碼按位邏輯**“與”**操作，結果保存到Rd中。
  • BIC指令可用于將寄存器中某些位的值清除為0
    • 將某一位 與1 做BIC操作，該位值被清除為0 ；
    • 將某一位 與0 做BIC操作，該位值不變。

四、數據傳送指令

1. MOV——數據傳送指令

   • 指令格式：MOV{cond}{S} Rd，operand2

   • MOV指令將operand2傳送到目標寄存器Rd中。

     

   • 受影響的CPSR標志位	取值
     N	寄存器Rd[31]被復制到N
     Z	如果Rd為0，則Z=1，否則Z=0
     C	C=0

   • 功能總結

     • 寄存器之間傳送。
     • 立即數傳送到寄存器中。（8位立即數位圖）
     • 實現單純的移位操作。MOV Rd，Rd，LSL，#3
     • 實現子程序調用、從子程序中返回。當PC寄存器作為目標寄存器時可以實現程序跳轉。
     • 實現異常模式的返回，并把當前處理器模式的SPSR寄存器內容復制到CPSR中
       • 例：MOVS PC，LR ；PC←LR，異常模式下返回，且CPSR←SPSR

2. MVN——數據求反傳送指令

   • 指令格式：MVN{cond}{S} Rd，operand2
   • MVN指令將operand2按位取反后傳送到目標寄存器Rd中。

五、比較指令

1. CMP——比較指令

   • 指令格式：CMP{cond} Rn，operand2

   • CMP指令將寄存器Rn的值減去operand2的值，但不存儲運算結果，只根據操作的結果更新CPSR中的相應條件標志位，以便后面的指令根據相應的條件標志來判斷是否執行。

   • 受影響的CPSR標志位	取值
     N	運算結果的第31位被復制到N
     Z	運算結果為0則Z=1，否則Z=0
     C	運算結果有借位則C=0，否則C=1
     V	運算結果有溢出則V=1，否則V=0

   • 比較類指令本身帶有更新 CPSR的功能，故在該指令中不能使用后綴 S

2. CMN——負數比較指令

   • 指令格式：CMN{cond} Rn，operand2
   • CMN指令將寄存器Rn的值減去operand2的負數（即加上operand2的值），但不存儲運算結果，只根據操作的結果更新CPSR中的相應條件標志位，以便后面的指令根據相應的條件標志來判斷是否執行。

六、測試指令

1. TST——位測試指令
   • 指令格式：TST{cond} Rn，operand2
   • TST指令將寄存器Rn的值與operand2的值按位邏輯“與”操作，但不存儲運算結果，只根據操作的結果更新CPSR中的相應條件標志位。
   • 該指令一般用來檢測是否設置了特定的位。
2. TEQ——測試相等指令
   • 指令格式：TEQ{cond} Rn，operand2
   • TEQ指令將寄存器Rn的值與operand2的值**按位邏輯“異或”**操作，但不存儲運算結果，只根據操作的結果更新CPSR中的相應條件標志位，以便后面的指令根據相應的條件標志來判斷是否執行。
     • 例子：
       • TEQ R0，R1
       • ；比較R0與R1是否相等
       • ；(不影響V位和C位)

3.3.3 存儲器訪問指令

• ARM微處理器用加載/存儲指令訪問存儲器，實現在寄存器和存儲器之間傳送數據。
• 由于ARM處理器對外設寄存器、I/O映射空間與存儲器統一編址，因此，對外圍設備的I/O操作也用此類指令。
• 基本的加載/存儲指令僅有5條，分為3種：
  • LDR和STR，單寄存器加載/存儲指令
  • LDM和STM，多寄存器加載/存儲指令
  • SWP，寄存器和存儲器數據交換指令

一、 單寄存器的存取指令

• 單寄存器加載/存儲指令是ARM在寄存器和存儲器間傳送單個字節和字的最靈活方式。
• 根據傳送數據的類型不同，單個寄存器存取指令又可以分為以下兩類：
  • 單字和無符號字節的加載/存儲指令
  • 半字和有符號字節的加載/存儲指令

1. 單字和無符號字節的加載／存儲指令

   • LDR：指令從內存中取32位字或8位無符號字節數據放入寄存器

     • 內存到寄存器

   • STR：指令將寄存器中的32位字或8位無符號字節數據保存到存儲器中。

     • 寄存器到內存

   • 注意：無符號字節加載時，用0將8位的操作數擴展到32位

   • 指令格式

     • LDR{cond}{T} Rd，<地址> ；加載指定地址上的字數據，放入Rd中。
     • STR{cond}{T} Rd，<地址> ；存儲Rd中字數據，到指定地址的存儲單元。
     • LDR{cond}B{T} Rd，<地址> ；加載字節數據到Rd低8位數據位中，高24位為0。
     • STR{cond}B{T} Rd，<地址> ；存儲Rd中字節數據， Rd中最低字節為傳送數據。
     • T后綴
       • T為可選后綴，若指令有T，存儲系統將訪問看成是處理器在用戶模式下。
       • 用于存儲器保護。
       • 不能與后變址模式、自動變址模式一起使用（即不能改變基址寄存器值）。
       • T在用戶模式下無效。

   • 操作數尋址方式

     • LDR/STR指令為基址變址尋址（或寄存器間接尋址），由兩部分組成：

       • 基地址部分：為一個基址寄存器，可以為任一個通用寄存器

       • 偏移地址部分：這一部分非常靈活，實際就類似第二個操作數，可以有以下3種格式：

         • 立即數：12位立即數是一個無符號的數值。這個數據可以加到基址寄存器，也可以從基址寄存器中減去這個數值。

           • 指令舉例如下：

             LDR    R1，[R0，#0x10]      ;將R0+0x10地址處的數據讀出，			;保存到R1中(R0的值不變)       
             LDR    R1，[R0，# -0x10]       			;將R0-0x10地址處的數據讀出，			;保存到R1中(R0的值不變)
             

         • 寄存器：寄存器中的數值(無符號數)可以加到基址寄存器，也可以從基址寄存器中減去這個數值。

           • 指令舉例如下：

             LDR    R1，[R0，R2] ;將R0+R2地址處的數據讀出，保存到R1中
             LDR    R1，[R0，-R2] ;將R0-R2地址處的數據讀出，保存到R1中
             

         • 寄存器及移位常數：寄存器移位后的值(無符號數)可以加到基址寄存器，也可以從基址寄存器中減去這個數值。

           • 指令舉例如下：

             LDR    R1，[R0，R2，LSL #2];將R0+R2×4地址處的數據讀出，;保存到R1中(R0、R2的值不變)
             LDR    R1，[R0，-R2，LSL #2];將R0-R2×4地址處的數據讀出，;保存到R1中(R0、R2的值不變)
             

             • 注意：移位位數只能是5位的立即數，不能使用寄存器指定移位位數

   • 指令編碼格式

     

2. 半字和有符號字節的加載／存儲指令

   • 這類LDR/STR指令可實現半字（有符號和無符號）、有符號字節數據的傳送。

   • 特點：

     • 偏移量格式、尋址方式與加載／存儲字和無符號字節指令基本相同
     • 立即數偏移量限定在8位
     • 寄存器偏移量不可經過移位得到。

   • 指令格式

     • LDR {cond}SB Rd，<地址> ；加載指定地址上有符號字節到Rd中，高24位用符號位擴展
     • LDR {cond}SH Rd，<地址> ；加載指定地址上的有符號半字到Rd中，高16位用符號位擴展
     • LDR {cond}H Rd，<地址> ；加載無符號半字數據到Rd的低16位,高16位清零。
     • STR{cond}H Rd，<地址> ；存儲Rd中的低16位半字數據。

   • 兩點說明：

     • 符號位
       • 有符號字節或有符號半字的加載，用**“符號位”擴展到32位**
       • 無符號半字傳送是用0擴展到32位
     • 地址對齊
       • 對半字傳送的地址必須為偶數。非半字對齊的半字加載將使Rd內容不可靠
       • 非半字對齊的半字存儲將使指定地址的2字節存儲內容不可靠。

   • 指令編碼格式

     

• 看PPT的例子P127-130

二、多寄存器的存取指令

• LDM和STM指令可以實現在一組寄存器和一塊連續的內存單元之間存/取數據。

  • LDM為加載多個寄存器（內存到寄存器）
  • STM為存儲多個寄存器（**寄存器到內存）

• 這兩條指令，允許傳送16個寄存器R0—R15的任何子集或所有寄存器。

• 指令格式

  • LDM{cond}<模式> Rn{!}，<reglist>{^}
  • STM{cond} <模式> Rn{!}，<reglist>{^}
  • 指令格式說明
    • Rn：表示基址寄存器，裝有傳送數據的初始地址，Rn不允許為R15（即PC）
    • Rn后綴 **“!” **：表示最后的地址寫回到Rn中
    • reglist：表示寄存器列表，其中包含一個或多個寄存器。當寄存器不連續時，中間使用“，”隔開。
      • 格式例子：{R1，R2，R6-R9}
      • 列表寄存器和存儲器地址的關系規則：編號低的寄存器對應于存儲器中低地址單元，編號高的寄存器對應于存儲器中高地址單元
  • 后綴 “^” 說明
    • 寄存器列表不包含PC：
      • 使用后綴“^”進行數據傳送時，加載／存儲的是用戶模式的寄存器，而不是當前模式的寄存器
    • 寄存器列表包含有PC：
      • 除了正常的多寄存器傳送外，還要將SPSR拷貝到CPSR中。該用法可用于異常處理返回。
    • 禁用情況：后綴“^”不允許在用戶模式或系統模式下使用。 因為它們沒有SPSR
  • 當Rn在寄存器列表中且使用后綴“!”
    • 對于STM指令，若Rn為寄存器列表中的最低序號的寄存器，則會將Rn的初值保存；
    • 其它情況下Rn的編譯無法通過。
  • 地址字對齊：這些指令尋址是字對齊的，即忽略地址位[1:0]。

• 指令編碼格式

  

• 模式項

  • LDM/STM的主要用途是現場保護、數據復制和參數傳送等。

  • 其模式有如下8種（前面4種用于數據塊的傳輸（為存儲操作）, 后面4種是堆棧操作）:

    類型	每次基址寄存器的操作	傳送起始地址	Rn序號的變化
    IA	先傳送數據，后基地址加4	（Rn）	增加
    IB	先基地址加4，后傳送數據	（Rn）+4	增加
    DA	先傳送數據，后基地址減4	（Rn）	減少
    DB	先基地址減4，后傳送數據	（Rn）-4	減少

    類型	堆棧類型	彈出(pop)指令	壓入(push)指令
    FA	遞增滿堆棧	LDMFA	STMFA
    FD	遞減滿堆棧	LDMFD	STMFD
    EA	遞增空堆棧	LDMEA	STMEA
    ED	遞減空堆棧	LDMED	STMED

    • 堆棧操作與批量傳輸對應

      尋址方式	說明	pop	=LDM	push	=STM
      FA	遞增滿	LDMFA	LDMDA	STMFA	STMIB
      FD	遞減滿	LDMFD	LDMIA	STMFD	STMDB
      EA	遞增空	LDMEA	LDMDB	STMEA	STMIA
      ED	遞減空	LDMED	LDMIB	STMED	STMDA

• 示例

  

  • 這里能看出來序號高的寄存器一定會存/取地址高的地址

三、單寄存器交換指令（SWP）

• SWP指令用于將一個存儲單元(該單元地址放在寄存器Rn中)的內容讀取到一個寄存器Rd中，同時將另一個寄存器Rm的內容寫入到該存儲單元中。

• 交換指令是一個原子操作，也就是說，在連續的總線操作中讀/寫一個存儲單元，在操作期間阻止其它任何指令對該存儲單元的讀寫

• 指令格式

  • SWP{cond}{B} Rd，Rm，[Rn]
  • B為可選后綴，若有B，則交換無符號字節，否則交換32位字
  • Rd為被加載的寄存器
  • Rm的數據用于存儲到Rn所指的地址中，若Rm與Rd相同，則為寄存器與存儲器內容進行交換
  • Rn為要進行數據交換的存儲器地址，Rn不能與Rd和Rm相同。
  • 功能：將一個內存單元[Rn]的內容讀取到一個寄存器Rd中，同時將另一個寄存器Rm的內容寫入到該內存單元中

• 指令編碼格式

  

• 指令舉例

  • SWP R1，R1，[R0]；將R1的內容與R0指向的存儲單元的內容進行交換。
  • SWPB R1，R2，[R0]；將R0指向的存儲單元的內容讀取1字節數據到R1中(高24位清零)，并將R2的內容寫入到該內存單元中(最低字節有效)

3.3.5 雜項指令

• 主要由兩種類型指令組成，程序狀態寄存器操作指令、中斷操作指令，一共有5條指令。
  • 狀態寄存器操作指令：
    • MRS：讀程序狀態寄存器指令
    • MSR：寫程序狀態寄存器指令
  • 異常中斷操作指令：
    • SWI： 軟件中斷指令
    • BKPT：斷點指令（v5T體系）
    • CLZ： 前導0計數（v5T體系）

一、程序狀態寄存器處理指令

• ARM指令中有兩條指令，用于在狀態寄存器和通用寄存器之間傳送數據。修改狀態寄存器一般是通過“讀取－修改－寫回”三個步驟的操作來實現的。

1. MRS–讀狀態寄存器指令

   • 指令格式：MRS{cond} Rd，psr ； Rd <- psr

   • 把**狀態寄存器psr（CPSR或SPSR）**的內容傳送到目標寄存器中。

     • Rd —— 目標寄存器。Rd不允許為R15。
     • psr —— CPSR或SPSR。

   • 指令編碼格式

     

     • 注意：在ARM處理器中，只有MRS指令可以將狀態寄存器CPSR或SPSR讀出到通用寄存器中。

2. MSR–寫狀態寄存器指令

   • 在ARM處理器中，只有MSR指令可以直接設置狀態寄存器CPSR或SPSR。

   • 指令格式如下：

     • MSR{cond} psr_fields，#immed

     • MSR{cond} psr_fields，Rm

     • 其中：

       • psr：CPSR或SPSR

       • immed：要傳送到狀態寄存器指定域的8位立即數

       • Rm：要傳送到狀態寄存器指定域的數據的源寄存器

       • fields：指定傳送的區域。fields可以是以下的一種或多種：

         • c 控制域 (psr[7…0])；

         • x 擴展域(psr[15…8])；(暫未用)

         • s 狀態域 (psr[23…16])；(暫未用)

         • f 標志位域 (psr[31…24])。

           

       

   • 指令舉例

     • MSR CPSR_cxsf，R0 ；傳送R0的內容到CPSR
     • MSR SPSR_cxsf，R0 ；傳送R0的內容到SPSR
     • MSR CPSR_c，R0 ；傳送R0的內容到CPSR，但僅僅修改CPSR中的控制位域
     • MSR CPSR_cfxs，R0 ；傳送R0的內容到CPSR，修改所有域

   • 注 意：

     • 控制域的修改問題：只有在特權模式下才能修改狀態寄存器的控制域[7：0]，以實現處理器模式轉換，或設置開/關異常中斷 。
     • T控制位的修改問題：程序中不能通過MSR指令，直接修改CPSR中的T控制位來實現ARM狀態／Thumb狀態的切換，必須使用BX指令完成處理器狀態的切換。
     • 用戶模式下能夠修改的位：在用戶模式只能修改“標志位域”，不能對CPSR[23：0]做修改。
     • S后綴的使用問題：在MRS/MSR指令中不可以使用S后綴

二、異常中斷產生指令

• 異常中斷指令可以分為以下幾種：
  • SWI： 軟件中斷指令
  • BKPT：斷點指令（v5T及以上體系）
  • CLZ： 前導0計數（v5T及以上體系）

1. SWI——軟件中斷指令

   • 軟件中斷指令SWI產生軟件異常中斷，用來實現用戶模式到特權模式的切換。

   • 用于在用戶模式下對操作系統中特權模式的程序的調用；

   • 它將處理器置于管理（svc）模式，中斷矢量地址為0x08。

   • 指令格式如下：SWI {<cond>} <24位立即數>

     • 24位立即數，指定用戶程序調用系統例程的類型，相關參數通過寄存器傳遞，當指令中24位立即數被忽略時(立即數為0)，用戶程序調用系統例程的類型由通用寄存器R0決定，同時參數通過其它寄存器傳遞

   • 指令編碼格式

     

   • 說明：

     • 主要用于用戶程序調用操作系統的API。
     • 參數傳遞通常有兩種方法：
       • 指令中的24bit立即數指定API號，其它參數通過寄存器傳遞。
       • 忽略指令中的24bit立即數，r0指定API號，其它參數通過其它寄存器傳遞。

   • 舉例

     • 軟中斷號在指令中，不傳遞其它參數：
       • SWI 10 ；中斷類型號為10（注：沒有#號）
       • SWI 0x123456 ；中斷類型號為0x123456
     • 軟中斷號在指令中，其它參數在寄存器中傳遞：
       • MOV R0，#34 ；準備參數
       • SWI 12 ；調用12號軟中斷
     • 不用指令中的立即數，軟中斷類型號和其它參數都在寄存器中傳遞：
       • MOV R0，#12 ；準備中斷類型號
       • MOV R1，#34 ；準備參數
       • SWI 0 ；進入軟中斷。

2. BKPT——斷點指令（了解）

   • 斷點中斷指令BKPT用于產生軟件斷點，供調試程序用。
   • v5T及以上體系使用。
   • 指令格式如下： BKPT { immed_16}
     • immed_16：16位的立即數。該立即數被調試軟件用來保存額外的斷點信息。
   • 斷點指令用于軟件調試；它使處理器停止執行正常指令而進入相應的調試程序。

3. CLZ——前導0計數指令（了解）

   • 前導0計數指令CLZ 對Rm中的前導0的個數進行計數，結果放到Rd中。

   • v5T及以上體系使用。

   • 指令格式：CLZ{<cond>} Rd, Rm

   • 舉例如下：

      MOV   R2， #0X17C00 ;R2=0b0000 0000 0000 0001 0111 1100 0000 0000      CLZ   R3， R2    		;R3=15