ARM学习笔记4

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#ARM #ARM汇编 #ARM常用汇编 #ARM常用汇编指令

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本文深入解析ARM汇编指令集的特点与应用，包括数据处理、寄存器操作、访存及栈处理等指令，并介绍伪指令的作用及合法立即数的概念。

ARM常用汇编指令集

指令: 由CPU提供，最终生成机器码，由CPU执行.
伪指令: 由编译器提供，指导编译过程，编译后不产生机器码.

ARM汇编5个特点：

ldr/str架构

RISC架构的CPU不能直接操作内存，cisc可以直接操作内存.

LDR/STR架构:CPU和内存数据交换必须通过寄存器来读写.

ldr(load register)：内存数据->通用寄存器

str(store register)：通用寄存器数据->内存
八大寻址方式
1. 寄存器和数据直接交换: 立即数寻址 #
  mov r0,#0xffe 　// 把数据0xffe 存到r0,相当于C语言的r0=0xffe;
2. 寄存器之间交换数据：寄存器寻址 rx
  mov r0,r1 　 //r1 数据存到r0，相当于C语言的r0=r1;
3. 寄存器和寄存器里的数据移位后进行交换：寄存器移位寻址 lsl, lsr
  mov r0,r1,lsl #3 　// mov r0,(r1 <<3) r1里的数据LSL 3位后存到r0,相当于C语言的r0=r1<<3;
4. 寄存器和内存之间交换数据: 寄存器间接寻址 []
  ldr r0,[r2]　　//r2寄存器中地址所指的数据加载到r0中，[r2]表示内存，r2里存放内地地址
  　　　　　　//r2相当于C语言的指针,r0=(r2); 解引用.
5. 寄存器和内存地址偏移后交换数据：基址变址寻址[rx,#x]
  ldr r0,[r2,#3]　 //r2寄存器中地址偏移3后所指向的数据加载r0
  　　　　　　　//r2是基地址，#3是偏移量，相当于C语言r0=(r2+3);解引用.
6. 多个寄存器同时和内存交换数据:多寄存器寻址 rx!,{rx-rx,rx}
  ldmia r1!,{r2-r7,r12}　　//r1所指向的内存地址开始的数据连续加载到r2至r7 和r12 寄存器中，r1类似数组首地址，数组有8个元素，分别把这8个元素加载到后面8个寄存器中.
  　　　　　　　　　　　//”!”作用，运算过程中增量值保存在r1中，没有则保存r1原始值（是否改变r1原始值)
7. 栈和寄存器之间交换数据：堆栈寻址sp!,{rx-rx,rx}
  stmfd sp!,{r2-r7,r12}　　　//栈指针sp所指地址中数据连续加载到r2至r7 和r12 寄存器中， sp栈基地址
  
  ldmfd sp!,{r2-r6,pc}^ 　　//”^”作用，目标寄存器有PC时，会同时把spsr值写到CPSR中，从异常模式中返回到正常模式(中断返回，快速返回)
8. pc地址和pc偏移量之间交换数据:相对寻址 flag:
  beq flag　　　　　//跳转到flag标号地方,本质是通过PC和PC本身作为参考，加一个偏移量,PC当前执行的地址向前或向后偏移.
  flag:
指令后缀

同一个指令附加不同后缀后衍生出很多不同的指令，常用如下：
- B(Byte)功能不变，操作长度变为8 　　　　　//ldr ldrb
- H(Half)功能不变，操作长度变为16 　　　　//ldr ldrh
- S(Signed)功能不变，操作数变为有符号　　//ldr ldrsh
- S(cpSr)影响CPSR标志位（NZCV）　　　　//mov movs r0,#0;执行后影响标志位

条件执行后缀

条件后缀是否成立不是取决本句代码，是本句之前代码执行后的结果是否影响标志位
条件后缀只影响本句代码是否执行，不影响前后一句代码是否执行

常用如下：（*号使用频率高）

条件码标志含义
*EQ Z=1 相等
*NE Z=0 不相等
CS/HS C=1 无符号大于或等于
CC/LO C=0 无符号小于
ML N=1 负数
PL N=0 正数或零
*VS V=1 溢出
VC V=0 没有溢出
*HI C=1,Z=0 无符号大于
LS C=0,Z=1 无符号小于或等于
GE N=V 有符号大于或等于
LT N!=V 有符号小于
*GT Z=0,N=V 有符号大于
LE Z=1,N!=V 有符号小于或等于
AL X 无条件执行（指令默认条件）
NV X 从不执行

条件码	标志	含义
*EQ	Z=1	相等
*NE	Z=0	不相等
CS/HS	C=1	无符号大于或等于
CC/LO	C=0	无符号小于
ML	N=1	负数
PL	N=0	正数或零
*VS	V=1	溢出
VC	V=0	没有溢出
*HI	C=1,Z=0	无符号大于
LS	C=0,Z=1	无符号小于或等于
GE	N=V	有符号大于或等于
LT	N!=V	有符号小于
*GT	Z=0,N=V	有符号大于
LE	Z=1,N!=V	有符号小于或等于
AL	X	无条件执行（指令默认条件）
NV	X	从不执行

5 . 多级流水线

为了增加处理器指令流的速度.
                     ARM        Thumb
        执行          pc-8        PC-4
            解码          pc-4        PC-2
                取址          pc          PC

汇编指令详解：

1. 数据处理指令：

1 .1 .数据传输指令

 mov    //mov r1,r0                 寄存器和寄存器之间传输
        //mov r1,#0xff              寄存器和数据之间传输
 mvn    //mvn r0,r1                 按位取反后再存放

1.2. 算术指令

      add
      sub   //sub r2, r1,r0             r2（目标）=r1-r0（源）
      rsb
      adc
      sbc
      rsc

1.3. 逻辑指令

      and   //                          逻辑与
      orr   //                          逻辑或
      eor   //                          逻辑异或
      bic   //bic r0,r1,#0x1f           特定位清零，将r1中的数的bit0到bit4(0x1f=000.....11111)清零后赋值给r0

1.4. 比较指令(重在过程中影响标志位,不加后缀自动影响CPSR)

      cmp   //  cmp r0,r1               等价于sub r2,r0,r1(r2=r0-r1)比较两个寄存器的数是否相等,
      cmn   //  cmn r0,r1               等价于add r2,r0,r1(r2=r0+r1)两数相加是否为0(两数互补)
      tst   //  tst r0,#0xf             测试某些位是否为0(0xf=1111)bit0-bit3，对特定数进行位与r0 and 0xf
      teq   //  teq r0,r1               对2个数进行异或r0 eor r1

1.5. 乘法指令

      mvl
      mla
      umull
      umlal
      smull
      smlal

1 .6. 前导零计数

       clz  //                          获取一个数前面几个零如0xf=00000000.....1111

2. cpsr spsr操作指令

cpsr:  1个，程序状态寄存器
spsr:  5个状态各1个，作用是当从普通模式进入异常模式时，保存之前普通模式下的cpsr，保证再返回普通模式时可以恢复原来的cpsr

      mrs   // mrs r0,cpsr              把CPSR的值读到r0中
      msr   // msr cpsr ,r0             把加工后的数据(r0)重新写到CPSR中
            // cpsr_f                   只是模式位
            // cpsr_c                   只是控制位

3. 跳转指令

      b     //  b flag                          （绝对跳转）直接跳转，不保存返回地址，不打算返回
      bl    //  bl flag                         （函数调用）跳转前保存返回地址到lr(r14)中，再跳转
      bx    //                                   thumb下跳转,跳转同时切换到ARM态

4. 访存指令

    ldr/str     //                      单字、半字、字节访问，每周期只能访问4个字节内存.
    ldm/stm     //                      多字批量访问 单周期多寄存器读写,多字节批量操作,提高访问效率
    swp         //  swp r1,r2,[r0]      内存和寄存器互换,把r0内存地址的数据放到r1中同时把r2的数据写回r0内存地址中
                //  swp r1,r1,[r0]      一条指令完成内存和寄存器互换

4 .1. 栈与ldm/stm的处理

        stmx sp, {rx-rn}            //x为后缀,rx-rn为通用寄存器
        stmia sp,{r0-r12}           //sp栈内存地址 r0-r12寄存器,存放方式按照ia后缀规则,后缀如下：

**8种后缀：（*号使用频率高,ARM默认满减栈）**

*ia:(increase after) 先传输数据再地址+4 i:加 a:先
ib:(increase before) 先地址+4 再传输数据
da:(decrease after) 先传输数据再地址-4 d:减 b:后
db:(decrease before) 先地址-4 再传输数据

———————————————————————————————————————————————

*fd:(fulldecrease) 满栈递减 sp所指地址有数据先向低地址移动合适位置再存储数据 f:满 d:递减
ed:(emptydecrease) 空栈递减 sp所指没有数据先存储数据再向低地址移动合适位置
fa: 满栈递增 sp所指地址有数据先向高地址移动合适位置再存储数据 e:空 a:递增
ea: 空栈递增 sp所指没有数据先存储数据再向高地址移动合适位置

———————————————————————————————————————————————
四种栈：

空栈： sp指向空位存数据：直接存放取数据：先移动后取
满栈： sp指向满栈存数据：先移动后存放取数据：直接取数据
增栈：地址向高位栈指针移动方向为地址增加方向
减栈：地址向低位栈指针移动方向为地址减小方向

———————————————————————————————————————————————


*ia:(increase after)	先传输数据	再地址+4	i:加	a:先
ib:(increase before)	先地址+4	再传输数据
da:(decrease after)	先传输数据	再地址-4	d:减	b:后
db:(decrease before)	先地址-4	再传输数据


*fd:(fulldecrease)	满栈递减	sp所指地址有数据	先向低地址移动合适位置再存储数据	f:满	d:递减
ed:(emptydecrease)	空栈递减	sp所指没有数据	先存储数据再向低地址移动合适位置
fa:	满栈递增	sp所指地址有数据	先向高地址移动合适位置再存储数据	e:空	a:递增
ea:	空栈递增	sp所指没有数据	先存储数据再向高地址移动合适位置


空栈：	sp指向空位	存数据：直接存放	取数据：先移动后取
满栈：	sp指向满栈	存数据：先移动后存放	取数据：直接取数据
增栈：	地址向高位	栈指针移动方向为地址增加方向
减栈：	地址向低位	栈指针移动方向为地址减小方向

5 . 软中断指令

 swi(software interrupt)                    //软中断指令用来实现操作系统中系统调用

6 . 协处理器(coprocessor)

soc中另一个处理核心协助主处理器实现某些功能，被主处理器调用执行一定任务。
ARM架构支持多达16(0-15)个协处理器，一般SOC中只实现其中的第15个也就是CP15.协处理MMU\Cache\TLB等处理有关，功能上和操作系统的虚拟地址映射\cache管理等有关.

mrc             //读协处理器
mcr             //写协处理器

mcr{<cond>} p15, <opcode_1>, <Rd>, <Crn>, <Crm>, {<opcode_2>}   //mrc p15 ,0, r0, c1, c0, 0  把CP15的C1寄存器值读到arm的R0寄存器中       
opcode_1:   对于CP15永远为0
Rd:         ARM的通用寄存器名字（不能为R15/PC）
Crn:        CP15的寄存器，合法值c0~c15
Crm:        CP15的寄存器，一般均为c0
opcode_2:   一般省略或为0

7 . 伪指令

伪指令由编译器提供,目的为了指导编译过程，编译后不产生机器码.
/*  */      //注释
//          //注释    
@           //注释
：           //标号
.           //当前指令的地址           b . 相当于C语言while(1)
#           //代表立即数
立即数：
ARM 32位指令，除了指令标记和操作标记外，本身只能附带很少位数的立即数，所以有合法和非法立即数
合法立即数：无限移位后非零位可用8位表示        //0x000000ff,0x000ff000,
非法立即数：无限移位后非零位无法用8位表示       //0x000f0f00,0x001ff000,

7 . 1. 常用伪指令：

    .global _star                       //给_star 声明为外部链接属性（目的为了别的文件可以访问、引用）
    .section .text                      //指定当前段位代码段（链接脚本中运用）
    .ascii .byte .short.long .word      //ascii字符、 byte字节、 short 2字节、 long 4字节、 word 4字节（相当于定义变量）
    .quad.float.string                  //定义数据 quad 8字节、 float 浮点、 string 字符串
    .align 4                            //以16字节对齐 2^4=16 按照16字节（不填充）
    .balignl 16 0xfff                   //16字节对齐加填充，b:位填充、align:要对齐、l:long以4字节为单位填充、16:16字节对齐、 0xfff:用fff填充中间的地址(填充原料) 
    .equ                                //类似C中的宏定义  #define

    .end                                //文件结束
    .include                            //文件包含
    .arm/.code32                        //arm 代码
    .thumb/.code16                      //thumb 代码

    ldr             //大范围的地址加载  
                    //ldr  r0,#0xff :指令 ,ldr r0,=0xffff :伪指令    （指令后面加#，需要考虑合法和非法立即数。伪指令后面加=，不需要考虑合法和非法立即数.）加载地址由链接脚本决定.
    adr             //小范围的地址加载 
                    //adr以PC为基准表示地址(相对地址).加载地址由运行时决定.
    adrl            //中等范围的地址加载
    nop             //空操作