一文详解Arm Cortex-M处理器指令集

Arm处理器是基于精简指令集计算机（RISC）原理设计的，指令集和相关译码机制较为简单，具有32位Arm指令集和16位Thumb指令集，Arm指令集效率高，但是代码密度低，而Thumb指令集具有更好的代码密度，却仍然保持Arm的大多数性能上的优势，它是Arm指令集的子集。所有Arm指令都是可以有条件执行的，而Thumb指令仅有一条指令具备条件执行功能。Arm程序和Thumb程序可相互调用，相互之间的状态切换开销几乎为零。

Cortex-M0处理器基于ARMv6-M架构，是一款功耗和性能较为均衡的处理器。Cortex-M0只支持56条指令的小指令集，其中大部分指令是16位指令。

Arm Cortex-M 指令集对比：

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1. 指令集

1.1 在处理器内移动数据

MOV,;RmandRncanbehighorlowregisters. MOVS, MOVS,#immed8;8位立即数值 MRS, MSR,

1.2 存储器访问

确保访问的内存地址是对齐的，这一点很重要。在ARMv6-M架构(包括Cortex-M0和Cortex-M0处理器)上不支持非对齐传输。任何未对齐内存访问的尝试都会导致HardFault异常。

LDR,[,];Rt=memory[Rn+Rm] STR,[,];memory[Rn+Rm]=Rt LDRH,[,];Rt=memory[Rn+Rm] STRH,[,];memory[Rn+Rm]=Rt LDRB,[,];Rt=memory[Rn+Rm] STRB,[,];memory[Rn+Rm]=Rt LDRSH,[,];Rt=SignExtend(memory[Rn+Rm]) LDRSB,[,];Rt=SignExtend(memory[Rn+Rm]) LDR,[,#immed5];Rt=memory[Rn+ZeroExtend(#immed5<<2)] STR  ,[,#immed5];memory[Rn+ZeroExtend(#immed5<<2)] = Rt LDRH ,[,#immed5];Rt=memory[Rn+ZeroExtend(#immed5<<1)] STRH ,[,#immed5];memory[Rn+ZeroExtend(#immed5<<1)] = Rt LDRB ,[,#immed5];Rt=memory[Rn+ZeroExtend(#immed5)]STRB,[,#immed5];memory[Rn+ZeroExtend(#immed5)]=Rt LDR,[SP,#immed8];Rt=memory[SP+ZeroExtend(#immed8<<2)] STR  ,[SP,#immed8];memory[SP+ZeroExtend(#immed8<<2)] = Rt LDR  ,[PC,#immed8];Rt=memory[WordAligned(PC+4)+ZeroExtend(#immed8<<2)] LDR  ,=immed32;pseudoinstructiontranslatedtoLDR,[PC,#immed8] LDR,label;pseudoinstructiontranslatedtoLDR,[PC,#immed8] LDM,{,,..};LoadMultiple //Ra=memory[Rn] //Rb=memory[Rn+4], //... LDMIA!,{,,..};LoadMultipleIncrementAfter LDMFD!,{,,..} //Ra=memory[Rn], //Rb=memory[Rn+4], //... //andthenupdateRntolastreadaddressplus4. STMIA!,{,,..};StoreMultipleIncrementAfter STMEA!,{,,..} //memory[Rn]=Ra, //memory[Rn+4]=Rb, //... //andthenupdateRntolaststoreaddressplus4.

1.3 栈空间访问

PUSH{,,..} PUSH{,,..,LR} POP{,,..} POP{,,..,PC}

1.4 算数运算

ADD,;Rd=Rd+Rm.Rd,Rmcanbehighorlowregisters. ADDS,,;Rd=Rn+Rm SUBS,,;Rd=Rn–Rm ADDS,,#immed3;Rd=Rn+ZeroExtend(#immed3) SUBS,,#immed3;Rd=Rn–ZeroExtend(#immed3) ADDS,#immed8;Rd=Rd+ZeroExtend(#immed8) SUBS,#immed8;Rd=Rd–ZeroExtend(#immed8) ADCS,,;Rd=Rd+Rm+Carry SBCS,,;Rd=Rd–Rm–Borrow ADDSP,SP,#immed7;SP=SP+ZeroExtend(#immed7<<2) SUB  SP, SP, #immed7     ; SP = SP – ZeroExtend(#immed7<<2) ADD  SP, ;SP=SP+Rm.Rmcanbehighorlowregister. ADD,SP,;Rd=Rd+SP.Rdcanbehighorlowregister. ADD,SP,#immed8;Rd=SP+ZeroExtend(#immed8<<2) ADD  ,PC,#immed8;Rd=(PC[31:2]<<2) + ZeroExtend(#immed8<<2) ADR  ,;pseudoinstructiontranslatedtoADD,PC,#immed8 RSBS,,#0;Rd=0–Rm,ReverseSubtract(negative) MULS,,;Rd=Rd*Rm CMP,#immed8;Rd–ZeroExtended(#immed8) CMP,;Rn–Rm CMN,;Rn–NEG(Rm)

1.5 逻辑运算

ANDS,,;Rd=AND(Rd,Rm) ORRS,,;Rd=OR(Rd,Rm) EORS,,;Rd=XOR(Rd,Rm) BICS,,;Rd=AND(Rd,NOT(Rm)) MVNS,;Rd=NOT(Rm) TST,;AND(Rn,Rm)

1.6 移位和循环操作

ASRS,,#immed5;Rd=Rm>>immed5 LSLS,,#immed5;Rd=Rm<<#immed5 LSRS ,,#immed5;Rd=Rm>>#immed5ASRS,,;Rd=Rd>>Rm LSLS,,;Rd=Rd<,,;Rd=Rd>>RmRORS,,;Rd=RdrotaterightbyRmbits //Rotate_Left(Data,offset)=Rotate_Right(Data,(32-offset))

1.7 展开和顺序反转操作

这些反向指令通常用于在小端和之间转换数据大整数。

REV,;Byte-ReverseWord //Rd={Rm[7:0],Rm[15:8],Rm[23:16],Rm[31:24]} REV16,;Byte-ReversePackedHalfWord //Rd={Rm[23:16],Rm[31:24],Rm[7:0],Rm[15:8]} REVSH,;Byte-ReverseSignedHalfWord //Rd=SignExtend({Rm[7:0],Rm[15:8]})

1.8 扩展操作

它们通常用于数据类型转换。

SXTB,;SignedExtendedByte //Rd=SignExtend(Rm[7:0]) SXTH,;SignedExtendedHalfWord //Rd=SignExtend(Rm[15:0]) UXTB,;UnsignedExtendedByte //Rd=ZeroExtend(Rm[7:0]) UXTH,;UnsignedExtendedHalfWord //Rd=ZeroExtend(Rm[15:0])

1.9 程序流控制

B;Branch,Branchrangeis±2046bytesofcurrentPC B;ConditionalBranch,Branchrangeis±254bytesofcurrentPC BL;BranchandLink,Branchrangeis±16MBofcurrentPC BX;BranchandExchange BLX;BranchandLinkwithExchange

条件转移指令B

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1.10 内存屏障指令

在Cortex-M0和Cortex-M0处理器上支持内存屏障指令，从而在Cortex-M处理器和其他ARM处理器家族中提供更好的兼容性。

//数据内存屏障，确保所有内存访问都完成 //在新的内存访问被提交之前。

DMB

//数据同步屏障，确保所有的内存访问都完成 //在执行下一条指令之前。

DSB

//指令同步障碍，刷新管道和 //确保之前所有的指令都已完成 //在执行新指令之前。

ISB

1.11 异常相关指令

SVC ; Supervisor call CPSIE I ; Enable Interrupt (Clearing PRIMASK) CPSID I ; Disable Interrupt (Setting PRIMASK)

1.12 睡眠模式功能相关说明

//等待中断，停止程序执行，直到一个中断到达， //如果处理器进入调试状态。

WFI

//等待事件，如果设置了内部事件寄存器，则清除 //内部事件注册和继续执行。 //停止程序执行，直到事件(如中断)到达 //如果处理器进入调试状态。

WFE

//发送事件，设置本地事件寄存器并发送一个事件脉冲 //多处理器系统中的其他微处理器。

SEV

1.13 其他说明

NOP;NoOperation BKPT;Breakpoint YIELD;ExecuteasNOPontheCortex-M0processor

2. 指令说明

2.1 可访问high registers的指令

绝大部分指令只能访问low registers，也就是只能访问R0~R7寄存器。可以访问high registers的指令只有两条，这两条指令都不更新APSR，指令没有S后缀。

MOV,;RmandRncanbehighorlowregisters. ADD,;Rd=Rd+Rm.Rd,Rmcanbehighorlowregisters.

其它两条和SP加法有关的可以访问high registers的指令其本质是ADD指令。

ADDSP, ADD,SP,

2.2 分配临时变量的指令

函数内的临时变量分配到堆栈，进入函数给临时变量分配空间时使用SUB指令。

SUB SP, SP, #immed7 ; SP = SP – ZeroExtend(#immed7<<2)

退出函数释放临时变量空间时使用ADD指令。

ADD SP, SP, #immed7 ; SP = SP + ZeroExtend(#immed7<<2)

上面两条指令的立即数只有7位，最多可以增减SP指针127个字空间，如果超过127个字，使用这条指令：

ADD SP, ; SP = SP + Rm. Rm can be high or low register.

只有ADD指令，没有SUB指令，如果需要SUB，那么给Rm赋值负数即可。

2.3 取临时变量地址的指令

在堆栈分配了临时变量空间后，总要取得临时变量的地址才能做进一步的操作。

ADD , SP, #immed8 ; Rd = SP + ZeroExtend(#immed8<<2)

立即数不够，可以用寄存器。

ADD , SP, ; Rd = Rd + SP. Rd can be high or low register.

2.4 RSBS指令

RSBS , , #0 ; Rd = 0 – Rm, Reverse Subtract (negative)

这是倒过来的减法，常量减去寄存器值，而且常量只能是0。所以这条指令实质上就是一条取负数指令。

Rd = 0 - Rm 等价于：Rd = -Rm Rd 寄存器值等于负的 Rm 寄存器值。