24、ARM 相关知识全解析

ARM 相关知识全解析

一、ARM 指令集概述

ARM 指令集涵盖了多种类型的指令，这些指令在不同的场景下发挥着重要作用。

（一）通用指令

• WFI ：等待中断。当执行该指令时，处理器会进入低功耗状态，直到有中断发生将其唤醒。
• XAFlag ：将浮点条件标志从外部格式转换为 ARM 格式，方便在 ARM 架构下进行浮点运算的条件判断。
• XPACD、XPACI、XPACLRI ：这些指令用于去除指针认证码，增强指针操作的安全性。
• YIELD ：使处理器让出控制权，常用于多任务环境中，让其他任务有机会执行。

（二）64 - 位 NEON 和 FPU 指令

1. 算术运算指令
   • ABS ：计算绝对值。例如，对于一个有符号数，执行该指令后可得到其绝对值。
   • ADD ：执行加法操作，可用于整数或浮点数的加法。
   • ADDP ：对元素对进行加法运算，适用于向量操作中的元素处理。
   • ADDV ：对向量中的所有元素进行累加，得到一个总和。
2. 逻辑运算指令
   • AND ：按位与操作，常用于掩码操作，提取特定的位。
   • EOR ：按位异或操作，可用于数据加密、奇偶校验等。
   • ORR ：按位或操作，可用于设置特定的位。
3. 浮点运算指令
   • FADD ：浮点加法，用于处理浮点数的加法运算。
   • FDIV ：浮点除法，执行浮点数的除法操作。
   • FMUL ：浮点乘法，实现浮点数的乘法运算。

以下是部分指令的总结表格：
| 指令 | 描述 |
| — | — |
| ABS | 绝对值 |
| ADD | 加法 |
| AND | 按位与 |
| FADD | 浮点加法 |
| FDIV | 浮点除法 |

二、二进制格式

不同的数据类型在 ARM 架构中有其特定的二进制格式，了解这些格式有助于进行准确的数据处理。

（一）整数类型

整数类型包括有符号和无符号整数，它们的大小、对齐方式、范围和对应的 C 类型如下表所示：
| 大小（位） | 类型 | 对齐字节 | 范围 | C 类型 |
| — | — | — | — | — |
| 8 | 有符号 | 1 | -128 到 127 | signed char |
| 8 | 无符号 | 1 | 0 到 255 | char |
| 16 | 有符号 | 2 | -32,768 到 32,767 | short |
| 16 | 无符号 | 2 | 0 到 65,535 | unsigned short |
| 32 | 有符号 | 4 | -2,147,483,648 到 2,147,483,647 | int |
| 32 | 无符号 | 4 | 0 到 4,294,967,295 | unsigned int |
| 64 | 有符号 | 8 | -9,223,372,036,854,775,808 到 9,223,372,036,854,775,807 | long long |
| 64 | 无符号 | 8 | 0 到 18,446,744,073,709,551,615 | unsigned long long |

（二）浮点类型

ARM 浮点和 NEON 协处理器采用 IEEE - 754 标准来表示浮点数。所有浮点数都是有符号的，不同大小的浮点数的相关信息如下：
| 大小（位） | 对齐字节 | 范围 | C 类型 |
| — | — | — | — |
| 16 | 2 | 0.000061035 到 65504 | half |
| 32 | 4 | 1.175494351e - 38 到 3.40282347e + 38 | float |
| 64 | 8 | 2.22507385850720138e - 308 到 1.79769313486231571e + 308 | double |

需要注意的是，并非所有的 C 编译器都支持 16 位浮点数。而且这些范围是针对规范化的值，ARM 处理器允许浮点数非规范化以避免下溢。

（三）地址类型

所有地址或指针都是 64 位的，它们指向进程虚拟地址空间中的内存，而不是直接指向物理内存。
| 大小 | 范围 | C 类型 |
| — | — | — |
| 64 | 0 到 18,446,744,073,709,551,615 | void * |

三、汇编器指令

GNU 汇编器指令在汇编编程中非常重要，它们可以帮助我们更好地控制代码的生成和存储。

（一）常用指令及功能

• .align ：将位置计数器填充到特定的存储边界，确保数据的对齐。
• .ascii ：定义一个没有 NULL 终止符的 ASCII 字符串的内存空间。
• .asciz ：定义一个 ASCII 字符串的内存空间，并添加 NULL 终止符。
• .byte ：定义字节的内存空间。
• .data ：将后续代码汇编到数据子部分的末尾。
• .double ：定义双精度浮点数据的内存空间。
• .dword ：定义 64 位整数的存储空间。

以下是部分汇编器指令的总结表格：
| 指令 | 描述 |
| — | — |
| .align | 填充位置计数器到特定存储边界 |
| .ascii | 定义无 NULL 终止符的 ASCII 字符串内存 |
| .asciz | 定义有 NULL 终止符的 ASCII 字符串内存 |
| .byte | 定义字节内存 |
| .data | 汇编后续代码到数据子部分末尾 |

（二）条件汇编指令

• .if、.else、.elseif、.endif ：用于条件汇编，根据不同的条件决定是否汇编某段代码。例如：

.if condition
    ; 满足条件时汇编的代码
.else
    ; 不满足条件时汇编的代码
.endif

• .rept、.endr ：用于重复汇编一段代码，可指定重复的次数。例如：

.rept 5
    ; 重复执行的代码
.endr

（三）符号定义指令

• .equ ：定义符号的值，方便在代码中使用符号代替具体的值。
• .set ：将符号的值设置为一个表达式，可根据不同的情况动态设置符号的值。

四、ASCII 字符集

ASCII 字符集包含了从 0 到 255 的字符，其中 0 到 127 是标准字符，128 到 255 取自原始 IBM PC 的代码页 437。

（一）控制字符

控制字符用于控制设备的操作，例如：
- NUL（0） ：空字符，常用于字符串的结束标志。
- LF（10） ：换行符，用于换行操作。
- CR（13） ：回车符，用于将光标移到行首。

（二）可打印字符

可打印字符包括数字、字母、标点符号等，例如：
- 0 - 9 ：数字字符，用于表示数值。
- A - Z、a - z ：字母字符，用于文本输入。
- !、@、# 等 ：标点符号，用于表达特定的含义。

以下是部分 ASCII 字符的示例表格：
| 十进制 | 十六进制 | 字符 | 描述 |
| — | — | — | — |
| 0 | 00 | NUL | 空字符 |
| 10 | 0A | LF | 换行符 |
| 13 | 0D | CR | 回车符 |
| 32 | 20 | space | 空格 |
| 65 | 41 | A | 大写字母 A |

掌握 ARM 指令集、二进制格式、汇编器指令和 ASCII 字符集对于 ARM 架构的编程至关重要。通过合理运用这些知识，可以编写出高效、安全的代码。

五、ARM 指令集应用案例及分析

（一）算术运算指令应用

在实际编程中，算术运算指令经常用于数值计算。例如，在一个图像处理程序中，需要对图像的像素值进行调整。假设我们要将每个像素的亮度提高 20，就可以使用 ADD 指令。以下是一个简化的伪代码示例：

; 假设像素值存储在寄存器 r0 中
ADD r0, r0, #20 ; 将 r0 中的值加上 20
; 处理后的像素值存储回 r0

在这个例子中，ADD 指令将寄存器 r0 中的像素值加上 20，实现了亮度的调整。

（二）浮点运算指令应用

在科学计算和图形处理中，浮点运算指令非常重要。例如，在一个物理模拟程序中，需要计算物体的运动轨迹，涉及到大量的浮点运算。以下是一个使用 FADD 和 FMUL 指令的示例：

; 假设初始速度存储在寄存器 s0 中，加速度存储在寄存器 s1 中，时间存储在寄存器 s2 中
; 计算位移：s = v0 * t + 0.5 * a * t^2
FMUL s3, s0, s2 ; s3 = v0 * t
FMUL s4, s1, s2 ; s4 = a * t
FMUL s4, s4, s2 ; s4 = a * t^2
FMUL s4, s4, #0.5 ; s4 = 0.5 * a * t^2
FADD s5, s3, s4 ; s5 = v0 * t + 0.5 * a * t^2
; 最终位移存储在寄存器 s5 中

在这个例子中，通过使用 FMUL 和 FADD 指令，完成了物体位移的计算。

（三）逻辑运算指令应用

逻辑运算指令常用于数据处理和控制流程。例如，在一个加密算法中，需要对数据进行按位异或操作来实现加密。以下是一个简单的示例：

; 假设原始数据存储在寄存器 r0 中，密钥存储在寄存器 r1 中
EOR r2, r0, r1 ; r2 = r0 ^ r1
; 加密后的数据存储在寄存器 r2 中

在这个例子中，EOR 指令将原始数据和密钥进行按位异或操作，得到加密后的数据。

六、二进制格式的实际意义

（一）整数类型的应用

整数类型在编程中广泛应用于计数、索引和内存地址的表示。例如，在一个数组中，使用整数作为索引来访问数组元素。不同大小的整数类型可以根据实际需求选择，以节省内存空间。例如，当数组的元素数量不超过 255 时，可以使用 8 位无符号整数作为索引，如下所示：

; 假设数组存储在内存地址 0x1000 处，索引存储在寄存器 r0 中
LDR r1, =0x1000 ; r1 = 数组基地址
ADD r2, r1, r0 ; r2 = 数组基地址 + 索引
LDR r3, [r2] ; r3 = 数组元素

在这个例子中，使用 8 位无符号整数作为索引，通过计算偏移量来访问数组元素。

（二）浮点类型的应用

浮点类型在科学计算、图形处理和金融领域等有重要应用。例如，在一个金融计算程序中，需要计算利息和汇率等，使用浮点类型可以更精确地表示小数。在图形处理中，浮点类型用于表示颜色值和坐标等。

（三）地址类型的应用

地址类型用于指向内存中的数据或代码。在编程中，通过地址类型可以实现动态内存分配和指针操作。例如，在一个链表结构中，每个节点包含一个指向下一个节点的指针，通过地址类型来实现节点之间的连接。

七、汇编器指令的实际使用

（一）数据定义指令的使用

数据定义指令用于在内存中分配空间并初始化数据。例如，使用 .byte 指令定义一个字节数组：

.data
my_array:
    .byte 1, 2, 3, 4, 5 ; 定义一个字节数组

在这个例子中，使用 .byte 指令定义了一个包含 5 个元素的字节数组。

（二）条件汇编指令的使用

条件汇编指令可以根据不同的条件生成不同的代码。例如，根据不同的平台选择不同的代码实现：

.if PLATFORM == "ARM"
    ; ARM 平台的代码
.elseif PLATFORM == "x86"
    ; x86 平台的代码
.else
    ; 其他平台的代码
.endif

在这个例子中，根据 PLATFORM 的值选择不同的代码进行汇编。

（三）符号定义指令的使用

符号定义指令用于定义符号和设置符号的值。例如，使用 .equ 指令定义一个常量：

.equ MAX_SIZE, 100 ; 定义一个常量 MAX_SIZE 为 100

在代码中可以使用 MAX_SIZE 代替具体的值，提高代码的可读性和可维护性。

八、ASCII 字符集的应用场景

（一）文本处理

ASCII 字符集是文本处理的基础。在文件读写、字符串处理等操作中，需要使用 ASCII 字符集来表示和处理文本。例如，在一个文本编辑器中，用户输入的文本就是以 ASCII 字符的形式存储和处理的。

（二）通信协议

在通信协议中，ASCII 字符集用于传输和表示数据。例如，在串口通信中，数据以 ASCII 字符的形式发送和接收。以下是一个简单的串口通信示例：

; 发送字符 'A'
MOV r0, #65 ; r0 = 'A' 的 ASCII 码
; 调用串口发送函数发送 r0 中的字符

在这个例子中，将字符 ‘A’ 的 ASCII 码存储在寄存器 r0 中，然后通过串口发送函数将其发送出去。

（三）设备控制

控制字符在设备控制中起着重要作用。例如，在打印机控制中，使用换行符和回车符来控制打印的格式。通过发送特定的控制字符，可以实现设备的各种操作。

综上所述，ARM 指令集、二进制格式、汇编器指令和 ASCII 字符集是 ARM 架构编程的重要基础。通过深入理解和合理运用这些知识，可以编写出高效、安全和功能强大的程序。在实际应用中，需要根据具体的需求选择合适的指令和数据类型，以达到最佳的性能和效果。