嵌入式系统第二讲 ARM处理器和指令集

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/m0_74313796/article/details/144584611

自己整理的笔记自用，抄录老师给的课件，只是看没有印象，所以我就敲出来了，不算原创也不算翻译，考试复习用的，有需要的伙伴可以看看，个人觉得还是有逻辑的。

• 2.1 ARM处理器简介

2.1.1 ARM公司和ARM产品简介

ARM公司

本身不生产芯片，而是通过转让设计方案（IP核）由合作伙伴（Samsung、Intel、飞思卡尔（Freescale）、意法半导体（ST）等公司）生产各具特色的芯片。

ARM产品=ARM系列处理器

– ARM7 系列

– ARM9 系列

– ARM9E 系列

– ARM10E 系列

– ARM11 系列

– SecurCore系列

– IntelXScale系列

– IntelStrongARM系列

– Cortex 系列最新的Cortex系列

» Cortex-A：Cortex-A72，RK3399

» Cortex-R

» Cortex-M：Cortex-M4，STM32F407

» Cortex-X

2.1.2 ARM指令集体系结构版本

2.1.3 ARM处理器系列

• 2.2 ARM指令集简介

2.2.1 RISC简介

• RISC：Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机

• CISC：Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机

• 采用RISC结构的处理器：

– ARM公司：ARM系列处理器

– HP公司：例如HP PA-RISC

– IBM公司：例如IBM Power-PC

– SUN公司：例如SUN

2.2.2 ARM状态和Thumb状态

• ARM指令集（指令字长为32位），Thumb指令集（指令字长为16位）

-Thumb指令集是ARM指令集的子集

-ARM指令必须在ARM状态下执行，Thumb指令必须在Thumb状态下执行

-ARM处理器可以在两种状态（ARM状态、Thumb状态）下进行切换；只要遵循ATPCS调用规则，ARM子程序（ARM指令集编写的程序）和Thumb子程序（Thumb指令集编写的程序）之间可以进行相互调用。

-ATPCS调用规则：ARM-Thumb Procedure Call Standard(ARM-Thumb过程调用标准)

-ARM状态和Thumb状态切换可以通过BX指令来实现

要记的缩写：SP,LR,PC,CPSR,SPSR

SP,堆栈指针，Stack Pointer

LR,链接寄存器，Link Register

PC,程序计数器，Program Counter

CPSR:Current Program Status Register,当前程序状态寄存器

SPSR:Saved Program Status Register,程序状态保存寄存器

图中零标志位的描述有误，应为：如果目标寄存器中的数为0，则Z=1，否则Z=0

ARM处理器的运行模式（7个）

系统模式（SYS,System）
用户模式（USR,User）
快速终端模式（FIQ）
管理员模式（SVC,Supervisor）
外部中断模式（IRQ）
数据访问终止模式（ABT,Abort）
未定义指令数据集模式（UND,Undefined,未定义模式）

特权模式=运行模式-用户模式

异常模式=特权模式-系统模式

2.2.3 ARM指令类型和指令的条件域

ARM指令类型（8类）

跳转指令
通用数据处理指令
乘法指令
Load/Store内存访问指令
ARM协处理器指令
杂项指令
饱和算数指令
ARM伪指令

指令格式：<opcode>{<cond>}{S}<Rd><Rn>{,<shift_op2>}

-三个必须，三个可选：<>内为必须，{}内为可选

-opcode:指令助记符（操作码），如LDR,STR等

-cond:执行条件（条件域/条件码），如EQ,NE等，可以没有

-S:可选后缀，加S时影响CPSR中的条件码标志位，不加S时不影响

-Rd:目标寄存器

-Rn:第1个源操作数的寄存器

-op2:第2个源操作数，可以没有

-shift:位移操作，可以没有

• 位移操作的11种形式（重点）

• 位移操作的5种方式

-LSL：逻辑左移（算术左移与逻辑左移相同）

-LSR：逻辑右移

-ASR：算术右移

-ROR：循环右移

-RRX：带扩展的循环右移（加上CPSR的C位一起循环右移）

• 2.3 ARM指令的寻址方式（重要）

2.3.1 立即寻址

例如

·ADD R1,R1,#0x1 ;R1+1 -> R1 3个操作数

-#：立即寻址的前缀

-#0x：十六进制

-#0b：二进制

-#0xd：十进制

• ARM指令通常有3个操作数：1个目的操作数，2个源操作数

2.3.2 寄存器寻址

例如

-ADD R1,R1,R2 ;R1+R2 ->R1 3个操作数

-MOV R1,R0 ;R0->R1 2个操作数

2.3.3 寄存器偏移寻址（寄存器移位寻址）

例如

-ADD R1,R1,R2,ROR #0x2 ;R2循环右移2位后与R1相加，结果放入R1

-MOV R1,R0,LSL R2 ;R0逻辑左移R2位后->R1

2.3.4 寄存器间接寻址

例如

-STR R1,[R2] ;将R1存入[R2]存储单元中

-SWP R1,R1,[R2] ; [R2]和R1的内容进行交换

STR:存数指令--将寄存器中的数，存入存储器

SWP:交换指令--SWP{cond}{B}Rd,Rm,[Rn] ;先将[Rn]的内容存入Rd,再将Rm的内容存入[Rn],

;B为可选字符，若有B，

;则交换字节，否则交换32位字

2.3.5 基址变址寻址

基址变址寻址有4种形式：

零偏移（Zero Offset）

-op Rd,[Rn,R1] ;有效地址=Rn+R1

前索引偏移（Pre-Indexed）

-op Rd,[Rn,FlexOffset] ;有效地址=Rn+FlexOffset

带写回的前索引偏移（Pre-Indexed with Writeback）

-op Rd,[Rn,FlexOffset]! ;有效地址=Rn+FlexOffset,并且Rn+FlexOffset->Rn,"!"表示自增

后索引偏移（Post-Indexed）

-op Rd,[Rn],FlexOffset ;有效地址=Rn,并且Rn+FlexOffset->Rn

FlexOffset:称为灵活的偏移量，有两种形式

#expr
{-}Rm{,shift}

FlexOffset与op2（第2个源操作数）很相似，但是有一些不同的地方：

#expr表示的整数范围时：-4095~+4095
Rm不允许是R15（即PC,程序计数器）
有{-}选项

2.3.6 多寄存器寻址

例如

• LDMIA R0, {R1, R2, R3, R4, R5}

– [R0] -> R1

– [R0+4] -> R2

– [R0+8] -> R3

– [R0+12] -> R4

– [R0+16] -> R5

• STMIA R0, {R2-R5, R7}

– R2 -> [R0]

– R3 -> [R0+4]

– R4 -> [R0+8]

– R5 -> [R0+12]

– R7 -> [R0+16]

• LDM：批量加载（读取）指令

– 连续从一片存储器读数，送一组寄存器中

• STM：批量存储指令

– 将一组寄存器中的数，连续存入一片存储器中

• IA：后增

– 操作完成后，地址递增

2.3.7 堆栈寻址

堆栈指针（SP）：R13

-堆满栈：Full Stack

-空堆栈：Empty Stack

-递增堆栈：Ascending Stack

-递减堆栈：Descending Stack

• 满递增堆栈（满增）：FA

• 满递减堆栈（满减）：FD

• 空递增堆栈（空增）：EA

• 空递减堆栈（空减）：ED

• STMFD SP!, {R1-R7, LR} ; 将LR、R7-R1，存放到堆栈中，

; LR -> [SP-4], R7 -> [SP-8], R6 -> [SP-12],

; R5 -> [SP-16], R4 -> [SP-20], R3 -> [SP-24],

; R2 -> [SP-28], R1 -> [SP-32],

;“!”表示自减

2.3.8 相对寻址

基址变址寻址的一个特例：PC作为基地址

一般用于指令跳转

BL Label ; 转到Label标签处

...

Label:

...

BL指令：带链接的跳转指令

2.3.9 块复制寻址

• STMIA R0!, {R1-R7} ;将R1～R7的数据保存到[R0]开始的存储器中，存储指针在保存第一个值之后递增

• STMIB R0!, {R1-R7} ;将R1～R7的数据保存到[R0]开始的存储器中，存储指针在保存第一个值之前递增

• STMDA R0!, {R1-R7} ;将R7～R1的数据保存到[R0]开始的存储器中，存储指针在保存第一个值之后递减

• STMDB R0!, {R1-R7} ;将R7～R1的数据保存到[R0]开始的存储器中，存储指针在保存第一个值之前递减

• IA（后增）：操作完成后，地址递增

• IB（先增）：地址先增，而后完成操作

• DA（后减）：操作完成后，地址递减

• DB（先减）：地址先减，而后完成操作

• I：增加（增），Increase

• D：减少（减），Decrease

• A：之后（后），After

• B：之前（先），Before

• ！：表示自增（自减）

• 2.4 ARM指令简介

2.4.1 跳转指令

方法1：将PC值改为跳转（转移）的目的地址

例如：MOV PC,#immediate ; PC<-immediate

LDR PC,[PC,#offset] ;PC<-[PC+offset]

--LDR:取数指令

方法2：跳转指令（4条）

B：基本的跳转指令 -指令格式：B{cond},Label
BL：带链接的跳转指 -指令格式：BL{cond},Label
BX：用于ARM状态和Thumb状态之间的切换 -指令格式：BX{cond},Rm ;Rm中存储了目标跳转地址
BLX：完成指令跳转、返回位置保存、处理器工作状态切换等3个动作 -指令格式：>>BLX{cond},Rm >>BLX Label

2.4.2 通用数据处理指令

1.数据传送指令（2条）

（1）MOV:传送

（2）MVN:取反后传送

2.算术逻辑运算指令

·算术运算指令（6条）

（1）ADD：加法

（2）ADC：带进位加法

（3）SUB：减法

（4）SBC：带进位减法

（5）RSB：逆向减法 RSB R1,R2,R3 ;R3-R2-> R1

（6）RSC：带进位逆向减法

·逻辑运算指令（4条）

（1）AND：逻辑与

（2）ORR：逻辑或

（3）EOR：逻辑异或

（4）BIC：位清零

3.比较指令

（1）TST：位测试指令 -TST R1,R2 ;R1和R2按位进行逻辑与操作

（2）TEQ：相等测试指令 -TEQ R1,R2 ;R1和R2按位进行逻辑异或操作

（3）CMP：比较指令 -CMP R1,R2 ;R1和R2相减

（3）CMN：反值比较指令 -CMN R1,R2 ;R1和R2相加

4.前导零计数指令（1条）

CLZ 指令格式：op{cond} Rd,Rm

例如

-CLZ R1,R2 ;统计R2中从高位开始连续零的个数，

;结果放到R1中；如果R2=0，则结果为32；

;如果R2=0x0FF00000，则结果为4

2.4.3 乘法指令

1.MUL和MLA指令（2条）

（1）MUL：乘法指令（32位X32位->取64位的低32位）

– 指令格式：MUL {cond} {S} Rd, Rm, Rs

– 例子：MUL R1, R2, R3 ;R2XR3 -> R1

（2）MLA：乘加指令（32位X32位+32位->取64位的低32位）

– 指令格式：MLA {cond} {S} Rd, Rm, Rs, Rn

– 例子：MLA R1, R2, R3, R4 ;R2XR3+R4 -> R1

2.UMULL、UMLAL、SMULL和SMLAL指令（4条）

（1）UMULL：无符号长整形乘法指令（32位x32位=64位）

（2）UMLAL：无符号长整形乘加指令（32位x32位+32位=64位）

（3）SMULL：带符号长整形乘法指令（32位X32位=64位）

（4）SMLAL：带符号长整形乘加指令（32位X32位+32位=64位）

3.SMULxy和SMLAxy指令（2条）

（1）SMULxy：16位带符号乘法指令（16位x16位=32位）

（2）SMLAxy：16位带符号乘加指令（16位X16位+32位=32位）

指令格式：

– SMUL {cond} Rd, Rm, Rs

– SMLA {cond} Rd, Rm, Rs, Rn

– x、y：分别对应第一个操作数和第二个操作数，可以是B或T，B时取操作数的低16 位，T时取操作数的高16位

例子：

– SMULBT R1,R2,R3 ;R2[15:0] X R3[31:16] -> R1

– SMLABT R1,R2,R3,R4 ;R2[15:0] X R3[31:16] + R4 -> R1

4.SMULWy和SMLAWy指令（2条）

（1）SMULWy：32位x16位（取48位的高32位）带符号乘法指令

（2）SMLAWy：32位x16位（取48位的高32位）带符号乘加指令

指令格式：

– SMULW {cond} Rd, Rm, Rs

– SMLAW {cond} Rd, Rm, Rs, Rn

– y：对应第二个操作数，可以是B或T，B时取操作数的低16位，T时取操作数的高16位

2.4.4 Load/Store内存访问指令

1.LDR和STR指令（2条）

（1）LDR：从存储器读数，送寄存器

（2）STR：将寄存器中的数，存入存储器

---共有3种情况

字（32位）或无符号字节（8位）传输

– 指令格式：

» op{cond} {B} {T} Rd,[Rn]

» op{cond} {B} Rd,[Rn, FlexOffset] {!} ;（带写回的）前索引偏移

» op{cond} {B} Rd,label

» op{cond} {B} {T} Rd,[Rn],FlexOffset ;后索引偏移

» B：加上此后缀，表示进行无符号字节传输，Rd[7:0]

» T：加上此后缀，内存系统会认为处理器运行在用户模式上，虽然可能处理器实际是运行在特权模式下

半字（16位）或带符号字节（8位）传输

– 指令格式：

» op{cond} type Rd,[Rn]

» op{cond} type Rd,[Rn, Offset] {!} ;（带写回的）前索引偏移

» op{cond} type Rd,label

» op{cond} type Rd,[Rn],Offset ;后索引偏移

» type：（S：带符号；H：半字（16位）；B：字节（8位））

• SH：带符号的半字适用指令：LDR

• H ：无符号的半字适用指令：LDR、STR

• SB：带符号的字节适用指令：LDR

双字（64位）传输

– 指令格式：

» op{cond} D Rd,[Rn]

» op{cond} D Rd,[Rn, Offset] {!} ;（带写回的）前索引偏移

» op{cond} D Rd,label

» op{cond} D Rd,[Rn], Offset ;后索引偏移

» D：表示双字（64位）

2.LDM和STM指令（2条）

LDM：批量加载（连续从一片存储器读数，送一组寄存器中）

STM：批量存储（将一组寄存器中的数，连续存入一片存储器中）

• 指令格式：

op{cond} mode Rn{!}, reglist{^}

– mode（8种，2大类）：

» 用于数据的加载和存储（4种）

• IA（后增）：操作完成后，地址递增

• IB（先增）：地址先递增，而后完成操作

• DA（后减）：操作完成后，地址递减

• DB（先减）：地址先递减，而后完成操作

» 用于堆栈操作（4种）

• FA（满增）：满递增堆栈

• FD（满减）：满递减堆栈

• EA（空增）：空递增堆栈

• ED（空减）：空递减堆栈

» 缩写含义：

• I：增加，Increase

• D：减少，Decrease

• A：之后（后），After

• B：之前（先），Before

• F：满，Full

• E：空，Empty

– Rn：存储器的有效地址

– {!}：表示自增（自减）

– reglist：表示多个寄存器集合

• STMIB = STMFA • LDMIB = LDMED

• STMIA = STMEA • LDMIA = LDMFD

• STMDB = STMFD • LDMDB = LDMEA

• STMDA = STMED • LDMDA = LDMFA

3.SWP指令（1条）

• SWP：交换指令，用于寄存器和存储器之间的内容交换

• 指令格式：SWP{cond} {B} Rd, Rm, [Rn]

– 先将[Rn]的内容存入Rd，再将Rm的内容存入[Rn]

– B：表示交换的数据是字

4.PLD指令（1条）

• PLD：预读取指令，指示存储器系统在接下去的几条指令中很可能会有Load指令，存储系统以此做好相应的准备，从而加速内存访问过程

• 指令格式：PLD [Rn{, FlexOffset}]

– Rn：对应内存地址的基地址– FlexOffset：灵活的偏移量，用于基址变址寻址

2.4.5 ARM协处理器指令

– ARM共有16个协处理器（Coprocessor，P0-P15）

1、CDP和CDP2指令（2条）

• （1）CDP：协处理器数据处理指令

– 指令格式：CDP {cond} coproc, opcode1, CRd, CRn, CRm {, opcode2}

» coproc：协处理器的名字（16个，P0-P15）

» CRd、CRn、CRm：协处理器寄存器（16个，C0-C15）

» opcode1、opcode2：协处理器相关的操作码

• （2）CDP2：协处理器数据处理指令（不能条件执行）

– 指令格式：CDP2 coproc, opcode1, CRd, CRn, CRm {, opcode2}

• 例子：

– CDP P3, 2, C12, C10, C3, 4

– CDP2 P6, 1, C3, C4, C5 ;完成协处理器P6的初始化

2、LDC、STC、LDC2和STC2指令（4条）

• （1）LDC：将存储器的内容，复制到协处理器寄存器中

• （2）STC：将协处理器寄存器的内容，复制到存储器中

– 指令格式：

» op {cond} {L} coproc, CRd, [Rn]

» op {cond} {L} coproc, CRd, [Rn, #{-}offset]{!}

» op {cond} {L} coproc, CRd, [Rn],#{-}offset

» L：表示长整数传送 » coproc：协处理器的名字

» CRd：协处理器寄存器 ;零偏移 ;（带写回的）前索引偏移 ;后索引偏移

• （3）LDC2：将存储器的内容，复制到协处理器寄存器中（不能进行条件执行，且没有L后缀）

• （4）STC2：将协处理器寄存器的内容，复制到存储器中（不能进行条件执行，且没有L后缀）

– 指令格式：

» op coproc, CRd, [Rn]

» op coproc, CRd, [Rn, #{-}offset]{!}

» op coproc, CRd, [Rn],#{-}offset

• 例子：

– LDC P5, C2, [R4, #0x8]! ;零偏移 ;（带写回的）前索引偏移

– STC P6, C2, [R3], #-0x7 ;后索引偏移 ;将[R4+#0x8] -> P5的C2 ; 将P6的C2 -> [R3]

3、MCR、MCR2和MCRR指令（3条）

• （1）MCR：将ARM的寄存器内容，传送到协处理器的寄存器中

– 指令格式：MCR {cond} coproc, opcode1, Rd, CRn, CRm {, opcode2}

• （2）MCR2：将ARM的寄存器内容，传送到协处理器的寄存器中（不能进行条件执行）

– 指令格式：MCR2 coproc, opcode1, Rd, CRn, CRm {, opcode2}

• （3）MCRR：将ARM的寄存器内容，传送到协处理器的寄存器中（只有 1个协处理器相关的操作码）

– 指令格式：MCRR {cond} coproc, opcode1, Rd, Rn, CRm

4、MRC、MRC2和MRRC指令（3条）

• （1）MRC：将协处理器的寄存器内容，传送到ARM的寄存器中

– 指令格式：MRC {cond} coproc, opcode1, Rd, CRn, CRm {, opcode2}

• （2）MRC2：将协处理器的寄存器内容，传送到ARM的寄存器中（不能进行条件执行）

– 指令格式：MCR2 coproc, opcode1, Rd, CRn, CRm {, opcode2}

• （3）MRRC：将协处理器的寄存器内容，传送到ARM的寄存器中（只有1个协处理器相关的操作码）

– 指令格式：MRRC {cond} coproc, opcode1, Rd, Rn, CRm

• 例子：

– MRC P4, 3, R1, C5, C6, 1 ;将协处理器P4的C5、C6寄存器内容，传送到ARM的寄存器R1中

2.4.6 杂项指令

1、SWI指令（1条）

• SWI：软件中断指令

– 指令格式：SWI {cond} immed_24

» immed_24：表示24位的立即数

2、MRS和MSR指令（2条）

• （1）MRS：状态寄存器（CPSR、SPSR）读指令

– 指令格式：

» MRS {cond} Rd, psr ; psr-> Rd

• psr：CPSR或SPSR

• （2）MSR：状态寄存器（CPSR、SPSR）写指令

– 指令格式：

» MSR {cond} _, #immed_8r ; #immed_8r -> psr

» MSR {cond} _, Rm ; Rm-> psr

• psr：CPSR或SPSR

• field：CPSR或SPSR的域（4个域）

• 标志位域：f，[31,24]

• 状态域：s，[23,16]

• 扩展域：x，[15,8]

• 控制域：c，[7,0]

• #immed_8r：8位结构的常数

• 例子：

– MRS R5, SPSR ; SPSR -> R5

– MSR CPSR_f, R7 ;R7->CPSR_f，即更新状态寄存器的标志位

3、BKPT指令（1条）

• BKPT：断点指令，使ARM处理器进入Debug模式

– 指令格式：BKPT immed_16

» immed_16：16位的整数

2.4.7 饱和算术指令

• 4条指令：

• （1）QADD指令：加法指令，Q位会被置位

• （2）QSUB指令：减法指令，Q位会被置位

• （3）QDADD指令：加法指令，饱和运算，SAT(Rm+ SAT(RnX2))

• （4）QDSUB指令：减法指令，饱和运算，SAT(Rm-SAT(RnX2))

– Q位（Q标识位）：CPSR的第27位，在ARM V5的E系列处理器中，CPSR的 bit[27]称为q标识位，主要用于指示增强的dsp指令是否发生了溢出。同样的 spsr的bit[27]位也称为q标识位，用于在异常中断发生时保存和恢复CPSR中的Q 标识位。在ARM V5以前的版本及ARM V5的非E系列的处理器中，Q标识位没有被定义

– SAT：饱和运算

• 指令格式：op {cond} Rd, Rm, Rn