ARM汇编指令详解1

RealView DeveloperSuite(RVDS)工具室ARM公司推出的新一代ARM集成开发工具（上一代为ADS）。支持所有ARM系列核，并与众多第三方实时操作系统及工具商合作简化开发流程。其包含以下组件：GUI（GraphicsUser Interface,图形用户界面）开发环境（CodeWarrior和AXD）、支持软件组成。有了这些部件，用户就可以为ARM系列的处理器编写、调试自己的程序。

 

Code Warrior IDE提供了一个简单通用的图形化用户界面用于管理项目。可以以ARM处理器为对象，利用CodeWarrior IDE开发C、C++和ARM汇编代码。

 

AXD是ADS软件中独立于CodeWarrior IDE的图形软件，AXD用于对程序进行调试。（和Jlink一起使用）

 

工作状态

从编程的角度看，ARM微处理器的工作状态一般有两种，并可在两种状态之间切换：

• ARM状态，此时处理器执行的是32位的字对齐的ARM指令。
• Thumb状态，此时处理器执行的是16位半字对齐的Thumb指令。

在程序执行过程中，微处理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且，处理器工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。

 

存储器格式

ARM体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。从零字节到三字节放置第一个存储的字（32位）数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据，依次排列。作为32位的微处理器，ARM体系结构所支持的最大寻址空间是4G。

 

ARM体系结构可以用两种方式来存储字数据，称之为大端格式和小端格式。

• 大端格式：字数据的高字节存储在低地址上，而低字节存储在高地址上。
• 小端格式：字数据的高字节存储在高地址上，而低字节存储在低地址上。

ARM微处理器的指令长度可以是32位（在ARM状态下），也可以为16位（在Thumb状态下）。ARM微处理器中支持字节（8位）、半字（16位）、字（32位）三种数据类型， 其中，字需要4字节对齐（地址的低两位为0）、半字需要2字节对齐（地址的最低位为0）。

 

ARM支持7中工作模式，分别为：

1、用户模式（Usr）：用于正常执行程序

2、快速中断模式（FIQ）：用于高速数据传输

3、外部中断模式（IRQ）：用于通常的中断处理

4、管理模式（svc）：操作系统使用的保护模式

5、数据访问终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。

6、系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务。

7、未定义指令中止模式（und）：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件

 

ARM微处理器的工作模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的。

除用户模式以外，其余六种模式称为非用户模式或特权模式；其中除用户模式和系统模式外的5种又称为异常模式，常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系统资源等情况。

 

ARM的寄存器

ARM微处理器共有37个32位寄存器，其中31个通用寄存器，6个为状态寄存器。但是这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器可以访问，取决于ARM工作状态及具体的运行模式。但在任何时候，通用寄存器R14-R0、程序计数器PC、一个状态寄存器都是可以访问的。

寄存器（ARM状态）：在ARM工作状态下，任一时刻可以访问16个通用寄存器和一到两个状态寄存器。在非用户模式下（特权模式）下，则可访问到特定模式分组寄存器，具体见图：

寄存器（Thumb状态）：是ARM状态下寄存器集的一个子集，程序可以直接访问8个通用寄存器（R7-R0）、程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）、连接寄存器（LR）和CPSR。具体见下页图：

Thumb状态下的寄存器组织与ARM状态下的寄存器组织的关系：

• Thumb状态下和ARM状态下的R0-R7是相同的。
• Thumb状态下和ARM状态下的CPSR和SPSR是相同的。
• Thumb状态下的SP对应于ARM状态下的R13。
• Thumb状态下的LR对应于ARM状态下的R14。
• Thumb状态下的程序计数器PC对应于ARM状态下R15。
  

  

不分组寄存器（The unbanked registers）

R0—R7

分组寄存器（The banked registers）

R8—R14

程序计数器：

R15（PC）

• R0-R7是不分组寄存器。这意味着在所有处理器模式下，访问的都是同一个物理寄存器。未分组寄存器没有被系统用于特别的用途，任何可采用通用寄存器的应用场合都可以使用未分组寄存器。
• 分组寄存器R8-R12
• 分组寄存器R13、R14. R13通常用做堆栈指针SP，R14用作子程序链接寄存器，指向函数的返回地址。
• R15是程序计数器，也称为PC。其值等于当前正在执行的指令的地址+8（因为在取址和执行之间多了一个译码的阶段）。

状态寄存器：

ARM所有工作模式下都可以访问程序状态寄存器CPSR。CPSR包含条件码标志、中断禁止位、当前处理器模式以及其它状态和控制信息。CPSR在每种异常模式下都有一个对应的物理寄存器—程序状态保存寄存器SPSR。当异常出现时，SPSR用于保存CPSR的值，以便异常返回后恢复异常发生时的工作状态。

 

 

 

ARM的寻址方式：

所谓寻址方式就是处理器根据指令中给出的地址信息来寻找物理地址的方式。

 

立即寻址：操作数本身就在指令中给出。

ADD R0, R0，#1           ; R0 <- R0 + 1

ADDR0，R0，#0x3f          ;R0 <- R0 + 0x3f

第二个源操作数即为立即数，要求以“#”为前缀。

 

寄存器寻址：利用寄存器中的数值作为操作数。

ADDR0，R1，R2            ；R0 <- R1 + R2

 

寄存器间接寻址：以寄存器中的值作为操作数的地址，而操作数本身存放在存储器中。

ADDR0，R1，[R2]          ; R0 <- R1 + [R2]

LDR    R0，[R1]          ; R0 <- [R1]

 

基址变址寻址：将寄存器（该寄存器一般称为基址寄存器）的内容与指令中的给出的地址偏移量相加，从而得到一个操作数的有效地址。

LDRR0，[R1，#4]            ;R0 <- [R1 + 4]

LDRR0，[R1，#4]!           ;R0 <- [R1 + 4]、R1 <- R1 + 4

LDR R0，[R1],#4            ;R0 <- [R1]、R1 <- R1 + 4

LDR R0, [R1,R2]           ; R0 <- [R1 + R2]

 

多寄存器寻址：一条指令可以完成多个寄存器值的传送。最多实现16个通用寄存器值得传送。

LDMIAR0，{R1，R2，R3，R4}   ; R1<- [R0]; R2 <- [R0 + 4]; R3<- [R0 + 8]; R4 <- [R0 + 12]

该指令的后缀IA表示在每次执行完加载后，R0按字长增加，因此，指令可将连续存储单元的值传送到R1 -R4。

 

相对寻址：以程序计数器PC的当前值为基地址，指令中的地址标号作为偏移量，将两者相加之后得到操作数的有效地址。

BLNEXT          ;跳转到子程序NEXT处执行

......

NEXT

......

MOV PC,LR       ；从子程序返回

堆栈寻址：堆栈是一种数据结构，使用一个称作堆栈指针的专用寄存器指示当前的操作位置，堆栈指针总是指向栈顶。

递增堆栈：向高地址方向生长

递减堆栈：向低地址方向生长

满堆栈：堆栈指针指向最后压入堆栈的有效数据项

空堆栈：堆栈指针指向下一个要放入数据的空位置

 

ARM指令集

 

跳转指令：实现程序流程的跳转，1.使用专门的跳转指令。2.直接向程序计数器PC写入跳转地址值。（跳转之前结合使用 MOV LR,PC.保存将来返回地址值，从而实现在4G连续的线性地址空间的子程序调用。）

指令：B、BL、BLX、BX

B{条件}  目标地址

B Label

程序无条件跳转到标号Label处执行

CMP R1，#0

BEQ Label

当CPSR寄存器中的Z条件码置位时，程序跳转到标号Label处执行。 

 

 

BL{条件} 目标地址

在跳转之前，会在寄存器R14中保存PC当前值。

 

BLX 目标地址

从ARM指令集跳转到指令中所指定的目标地址，并将处理器的工作状态由ARM状态切换到Thumb状态，该指令同时将PC的当前内容保存到寄存器R14中。因此，当子程序使用Thumb指令集，而调用者使用ARM指令集时，可以通过BLX指令实现子程序的调用和处理器工作状态的切换。同时，子程序的返回可以通过将寄存器R14值到PC中来完成。

 

BX{条件} 目标地址

目标地址可以是ARM指令，也可以是Thumb指令。

 

B    跳转指令

BL   带返回的跳转指令

BLX   带返回和状态切换的跳转指令

BX   带状态切换的跳转指令

数据处理指令：数据传送指令、算术逻辑运算指令和比较指令

 

MOV{条件}{S} 目的寄存器，源操作数

MOV指令完成从另一个寄存器、被移位的寄存器或进一个立即数加载到目的寄存器。其中S选项决定指令的操作是否影响CPSR中条件标志位的值，当没有S时指令不更新CPSR中条件标志位的值。

MOV R1, R0，LSL#3         ;将寄存器R0的值左移3位后传送到R1

MVN{条件}{S} 目的寄存器，源操作数

MVN指令可完成从另一个寄存器、被移位的寄存器、或将一个立即数加载到目的寄存器。与MOV指令不同之处是在传送之前按位被取反了，即把一个被取反的值传送到目的寄存器中。其中S决定指令的操作是否影响CPSR中条件标志位的值，当没有S时指令不更新CPSR中条件标志位的值。

MVNR0，#0xff       ; R0 <= 0xffffff00

 

CMP{条件}操作数1，操作数2

CMP指令用于把一个寄存器的内容和另一个寄存器的内容或立即数进行比较，同时更新CPSR中条件标志位的值。该指令进行一次减法运算，但不存储结果，只更改条件标志位。标志位表示的是操作数1与操作数2的关系（大、小、相等），例如，当操作数1大于操作数2时，此后的有GT后缀的指令将可以执行。

CMP R1，R0      ;将寄存器R1的值与寄存器R0的值相减，并根据结果设置CPSR的标志位

CMPR1，#100    ; 将寄存器R1的值与立即数100相减，并根据结果设置CPSR的标志位

 

TST{条件} 操作数1，操作数2

TST指令用于把一个寄存器的内容和另一个寄存器的内容或立即数进行按位的与运算，并根据运算结果更新CPSR中条件标志位的值。操作数1是要测试的数据，而操作数2是一个位掩码（掩码是一串二进制代码对目标字段进行位与运算，屏蔽当前的输入位），根据测试结果设置相应标志位。当位与结果为0时，EQ位被设置。

TSTR1，#%1               ；用于测试在寄存器R1中是否设置了最低位（%表示二进制数）。 

 

ADD{条件}{S} 目的寄存器，操作数1，操作数2

ADD指令用于把两个操作数相加，并将结果存放到目的寄存器中。操作数1应是一个寄存器，操作数2可以是一个寄存器，被移位的寄存器，或一个立即数。

ADDR0，R1，R2，LSL#1        ;R0 = R2 + (R3 << 1)

 

SUB{条件}{S} 目的寄存器，操作数1，操作数2

SUB指令用于把操作数1减去操作数2，并将结果存放到目的寄存器中。操作数1应是一个寄存器，操作数2可以是一个寄存器，被移位的寄存器，或一个立即数。

SUBR0，R2，R3，LSL#1              ; R0 = R2 - (R3 << 1)

 

AND{条件}{S} 目的寄存器，操作数1，操作数2

AND指令用于在两个操作数上进行逻辑与运算，并把结果放置到目的寄存器中。操作数1应是一个寄存器，操作数2可以是一个寄存器，被移位的寄存器，或一个立即数。该指令常用于屏蔽操作数1的某些位。

ANDR0，R0，#3                ; 该指令保持R0的0、1位，其余位清零。

 

ORR{条件}{S} 目的寄存器，操作数1，操作数2

ORR指令用于在两个操作数上进行逻辑或运算，并把结果放置到目的寄存器中。操作数1应是一个寄存器，操作数2应是一个寄存器，被移位寄存器，或一个立即数。该指令常用于设置操作数1的某些位。

ORRR0，R0，#3               ；该指令设置R0的0、1位，其余位保持不变。

 

BIC{cond}{S} Rd,Rn,operand2

BIC指令用于清除Rn中的某些位，并把结果存放在Rd中，操作数operand2为32位的掩码，如果掩码中设置了某一位为1，则清除这一位。

BICR0，R0，#11              ;将R0的0,1,3位清零，其余位不变。

 

MUL{条件}{S}  目的寄存器， 操作数1，操作数2

MUL指令完成将操作数1与操作数2的乘法运算并把结果放置到目的寄存器中，同时可以根据运算结果设置CPSR中相应的条件标志位。其中，操作数1和操作数2均为32位的有符号数或无符号数。

MUL      R0，R1，R2                ；R0 = R1 * R2

MULS    R0，R1，R2                : R0 = R1 * R2，同时设置CPSR中的相关条件标志位

 

程序状态寄存器访问指令

ARM微处理器支持程序状态寄存器访问指令，用于在程序状态寄存器和通用寄存器之间传送数据。

 

MRS{条件} 通用寄存器，程序状态寄存器（CPSR或SPSR）

MRS的用处是将状态寄存器中的内容传递到通用寄存器中。

1、当需要修改程序状态寄存器中内容时，可用MRS进程序状态寄存器的内容读入到通用寄存器，修改后再写回程序状态寄存器。

2、当在异常处理或进程切换时，需要保存程序状态寄存器的值，可先用MRS读出程序状态寄存器的值，然后保存。

MRS R0,CPSR          ；传送CPSR的内容到R0

 

MSR{条件}程序状态寄存器（CPSR或SPSR)_<域>，操作数

MSR指令用于将操作数的内容传递到程序状态寄存器的特定域中。其中，操作时可以是通用寄存器或立即数。<域>用于设置程序状态寄存器中需要操作的位，32位的程序状态寄存器可分为4个域：

位[31:24]为条件标志位域，用f表示；     位[23: 16]为状态位域，用s表示；

位[15:8]为扩展位域，用x表示；          位[7: 0]为控制位域，用c表示；

MSR CPSR,R0                      ；传送R0内容到CPSR

MSRCPSR_c，R0                    ；传送R0的内容到CPSR，但仅仅修改CPSR中的控制位域