ARM架构与编程技术深入解析——第三章节

ARM指令集介绍

3.1 ARM指令集

分为6类&＃xff1a;

• 跳转指令

• 数据处理指令

• 程序状态寄存器(PSR)传输指令

• Load/Store指令

• 协处理器指令

• 异常中断产生指令

3.1.1 跳转指令

ARM实现跳转的两种方式&＃xff1a;

1. 跳转指令

2. 直接向PC寄存器(R15)中写入目标地址值

直接向PC写入目标地址值可以实现4GB地址空间任意跳转&＃xff0c;称为长跳转。如果在长跳转指令之前使用MOV LR、PC等指令&＃xff0c;可以保存将来返回的地址值&＃xff0c;就实现了在4GB的地址空间的子程序调用。

ARM版本5及以上体系&＃xff0c;实现了ARM指令集和Thumb指令集的混合使用。指令使用目标地址的bit[0]来确定目标程序的类型。bit[0]为1时&＃xff0c;目标程序为Thumb指令&＃xff1b;bit[0]值为0时&＃xff0c;目标程序为ARM指令。

ARM的跳转指令可以从当前指令向前或向后的32MB的地址空间跳转。这类跳转指令有下面4种&＃xff1a;

• 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

1.B (跳转指令)及BL(带返回的跳转指令)

这两个指令和目标地址处的指令都属于ARM指令集。二者都可以根据CPSR中条件标志位与指令中的执行条件决定是否执行跳转操作。二者的不同在于B仅仅执行跳转操作&＃xff0c;BL指令同时将PC寄存器的值保存到LR寄存器中。

指令的语法格式

B {L} {}

target_address的计算方法是&＃xff1a;将指令中的24位带符号的补码立即数扩展位32位&＃xff08;扩展其符号位&＃xff09;&＃xff1b;将此32位数左移两位&＃xff1b;将得到的值加到PC寄存器&＃xff0c;即得到跳转的目标地址。跳转的范围大致为-32MB~&＃43;32MB

ARM汇编器通过下面步骤计算signed_immed_24:

• 将PC寄存器的值作为本跳转指令的基地址值

• 从跳转的目标地址中减去上面所说的跳转的基地址值&＃xff0c;生成字节偏移量。由于ARM指令是字对齐的&＃xff0c;该字节偏移量为4的倍数

• 当上面生成的自己偏移量超过范围33554432~33554430时&＃xff0c;程序需要相应的处理

• 否则&＃xff0c;将指令编码字中的signed_immed_24设置成上述字节偏移量的bits[25:0]

2.BLX(1)

语法格式&＃xff1a;

BLX

第1种格式的BLX指令&＃xff0c;从ARM指令跳转到指令中指定的目标地址&＃xff0c;并将程序切换为Thumb状态&＃xff0c;该指令同时将PC寄存器的内容复制到LR寄存器中。

当子程序为Thumb指令集&＃xff0c;而调用者是ARM指令集时&＃xff0c;可以通过BLX指令实现子程序调用和程序状态的切换。

3.BLX(2)

语法格式&＃xff1a;

BLX {}

第2种格式从ARM指令集跳转到指定的目标地址&＃xff0c;目标地址的指令可以是ARM指令&＃xff0c;也可以是Thumb指令。目标地址放在指令中的寄存器中&＃xff0c;该地址的bit[0]值为0&＃xff0c;目标地址处的指令类型由CPSR中的T位决定。该指令同时将PC寄存器的内容复制到LR寄存器中。

4.BX指令

跳转到指定的目标地址&＃xff0c;目标地址处的指令可以是ARM指令&＃xff0c;也可以是Thumb指令。目标地址值为指令的值和0xFFFFFFFE做与结果&＃xff0c;目标地址处的指令类型由寄存器的bit[0]决定。

语法格式&＃xff1a;

BX {}

3.1.2 数据处理指令

3类&＃xff1a;

• 数据传送指令&＃xff0c;如MOV

• 算术逻辑运算指令&＃xff0c;如ADD、SUB、AND

• 比较指令&＃xff0c;如TST

数据处理指令包括&＃xff1a;

• MOV 数据传送指令

• MVN 数据求反传送指令

• CMP 比较指令

• CMN 基于相反数的比较指令

• TST 位测试指令

• TEQ 相等测试指令

• ADD 加法指令

• SUB 减法指令

• RSB 逆向减法指令

• ADC 带位加法指令

• SBC 带位减法指令

• RSC 带位逆向减法指令

• AND 逻辑与操作指令

• BIC 位清除指令

• EOR 逻辑异或操作指令

• ORR 逻辑或操作指令

3.1.3 乘法指令

两类&＃xff1a;

1. 32位的乘法指令&＃xff0c;即乘法的结果为32位

2. 64位的乘法指令&＃xff0c;即乘法的结果为64位

以下6条&＃xff1a;

• MUL 32位乘法指令

• MLA 32位带加数的乘法指令

• SMULL 64位有符号数乘法指令

• SMLAL 64位带加数的有符号数乘法指令

• UMULL 64位无符号数乘法指令

• UMLAL 64位带加数的无符号数乘法指令

3.1.4 杂类的算术指令

• CLZ指令&＃xff0c;用于计算操作数最高端0的个数。

  1. 计算操作数规范化时需要左移的位数

  2. 确定一个优先级掩码中最高优先级

  CLZ { } ,

3.1.5 状态寄存器访问指令

状态寄存器需注意&＃xff1a;

1. 状态寄存器有些位是没有使用的

2. 程序不能通过改变CPSR中的T控制位直接将程序状态切换到thumb状态&＃xff0c;必须通过BX等指令完成状态的切换

3. 修改状态寄存器是通过“读取-修改-写回”的操作序列实现的

状态寄存器访问指令包括以下两条&＃xff1a;

• MRS 状态寄存器到通用寄存器的传送指令

• MSR 通用寄存器到状态寄存器的传送指令

MRS {} , CPSR

• 通过“读取-修改-写回”操作序列修改状态寄存器的内容。

• 当异常中断允许嵌套时&＃xff0c;需要在进入异常中断之后&＃xff0c;嵌套中断发生之前保存当前处理器模式对应的SPSR。这时需要通过MRS指令读出SPSR的值&＃xff0c;再用其他指令将SPSR的值保存起来

• 在进程切换时也需要保存当前状态寄存器值

MRS {} , SPSR

• 通常用于恢复状态寄存器的内容或者改变状态寄存器的内容

• 当退出异常中断处理程序时&＃xff0c;如果事先保存了状态寄存器的内容&＃xff0c;通常通过MSR指令将事先保存的状态寄存器内容回复到状态寄存器中

• 当需要修改状态寄存器的内容时&＃xff0c;通过“读出-修改-写回”指令序列完成。

3.1.6 Load/Store内存访问指令

Load指令用于从内存中读取数据放入寄存器中

Store指令用于将寄存器中的数据保存到内存

两大类&＃xff1a;

• 32位的字类型数据以及8位无符号的字节型数据

• 16位半字类型数据以及8位有符号数字节类型数据

第一类&＃xff1a;

• LDR 字数据读取指令

• LDRB 字节数据读取指令

• LDRBT 用户模式的字节数据读取指令

• LDRH 半字数据读取指令

• LDRSB 有符号的字节数据读取指令

• LDRSH 有符号的半字数据读取指令

• LDRT 用户模式的字数据读取指令

• STR 字数据写入指令

• STRB 字节数据写入指令

• STRBT 用户模式字节数据写入指令

• STRH 半字数据写入指令

• STRT 用户模式字数据写入指令

3.1.7 批量Load/Store内存访问指令

主要有以下几条&＃xff1a;

• LDM(1) 批量内存字数据读取指令

• LDM(2) 用户模式的批量内存字数据读取指令

• LDM(3) 带状态寄存器的批量内存字数据读取指令

• STM(1) 批量内存字数据写入指令

• STM(2) 用户模式的批量内存字数据写入指令

3.1.8 信号量操作指令

信号量用于进程间的同步和互斥。

两条指令完成信号量的操作&＃xff1a;

• SWP 交换指令

• SWPB 字节交换指令

3.1.9 异常中断产生指令

• SWI 软中断指令

• BKPT 断点中断指令

3.1.10 ARM协处理器指令

3类&＃xff1a;

• 用于ARM处理器初始化ARM协处理器的数据处理操作

• 用于ARM处理器的寄存器和ARM协处理器的寄存器间的数据传送操作

• 用于在ARM协处理器的寄存器和内存单元之间传送数据

5条指令&＃xff1a;

• CDP 协处理器数据操作指令

• LDC 协处理器数据读取指令

• STC 协处理器数据写入指令

• MCR ARM寄存器到协处理器寄存器的数据传输指令

• MRC 协处理器寄存器到ARM寄存器的数据传送指令

3.2 一些基本的ARM指令功能段

3.2.1 算术逻辑运算指令的应用

1. 位操作指令应用

2. 实现乘法的指令段举例

3. 64位数据运算举例

4. 转换内存中数据存储方式的指令段

3.2.2 跳转指令的应用

1. 子程序调用

   BL指令在执行跳转操作的同时保存当前PC寄存器值&＃xff0c;用于从被调用的子程序中返回。

   ...
BL function
...
...
function
...
...
MOV PC, LR

2. 条件执行

3. 条件判断语句

4. 循环语句

5. 多路分支程序语句

3.2.3 Load/Store指令的应用

1. 链表操作

2. 简单串比较

3. 长跳转

4. 多路跳转

3.2.4 批量Load/Store指令的应用

1. 简单的块复制

2. 子程序进入和退出时数据的保存和恢复

3.2.5 信号量指令的应用

信号量用于实现对临界区数据访问的同步。当信号量为0时&＃xff0c;表示与该信号量相关的临界区可用&＃xff1b;当信号量的值为-1时&＃xff0c;表示当前进程正在查看该信号量的值。

3.2.6 与系统相关的一些指令代码段

1. SWI中断处理程序示例

   SWI指令使处理器切换到特权模式&＃xff0c;在特权模式下请求特定的系统服务。

2. IRQ中断处理程序示例

   在ARM中&＃xff0c;外部管理器或外设通过使能ARM处理器中的IRQ输入管脚产生IRQ异常中断。

   CPSR寄存器中的I控制位为1禁止响应中断请求&＃xff0c;为0在指令边界处检查是否有IRQ中断请求。

3. 进程切换

   进程是操作系统中任务调度的基本单位。每个进程由一个进程控制块PCB来表示&＃xff0c;进程控制块PCB包含了进程相关信息。

3.3 Thumb指令介绍

• Thumb指令集指令长度为16位。

• Thumb指令集并没有改变ARM体系底层的程序设计模型&＃xff0c;只是在该模型上增加了一些限制条件。Thumb指令集中的数据处理指令的操作数仍然是32位&＃xff0c;指令寻址地址也是32位的

• 处理器执行Thumb指令时&＃xff0c;可以使用的整数寄存器通常为R0~R7&＃xff0c;有些指令可以使用PC、R14(LR)以及栈指针寄存器SP(R13)。

• 在Thumb状态下&＃xff0c;读取R15寄存器时&＃xff0c;位[0]位0&＃xff0c;位[31:1]包含了程序计数器的值&＃xff1b;在向R15写入数据时&＃xff0c;位[0]被忽略&＃xff0c;位[31:1]被设置为当前程序计数器的值。

• Thumb指令集没有提供访问CPSR/SPSR寄存器的指令。处理器根据CPSR寄存器中的T位来确定指令类型。T为0&＃xff0c;指令为ARM指令&＃xff1b;T为1&＃xff0c;指令为Thumb指令