1、,提纲,1、ARM指令集概述2、ARM指令的寻址方式3、ARM指令简介4、Thumb指令简介,1、ARM指令集概述,RISC简介ARM状态和Thumb状态ARM9指令类型和指令的条件域,RISC简介,RISC是计算机中央处理器的一种设计模式 全称Reduced Instruction Set Computer,中文称为精简指令集计算机 RISC选取使用最为频繁的简单指令及部分复杂指令，而且指令等长，通常指令为16位或32位,ARM状态和Thumb状态（1）,从v4版本开始，ARM引入了Thumb指令集 Thumb指令为16位，能完成的功能是32位ARM指令的子集 ARM处理器支持两种运行状态
2、ARM状态 Thumb状态 ARM指令必须在ARM状态下执行 Thumb指令也必须处于Thumb状态下执行,必须使用ARM指令的情况 ARM处理器启动的第一句指令必须是ARM指令 访问程序状态寄存器CPSR或协处理器时必须是ARM指令 ARM在处理异常中断时会自动切换到ARM状态，执行中断处理程序入口处的程序。返回时，会再次自动切换到ARM状态ARM指令,ARM状态和Thumb状态（2）,v4版本中的函数调用，如果不需要进行状态切换，只需要用到BL指令就可以实现了 如果需要进行状态切换，情况较复杂，如图3-1所示,ARM状态和Thumb状态（3）,ARM状态和Thumb状态（4）,不同状态间的
3、函数调用,ARM v5版本后，引入了一条新的指令BLX，结合了BL和BX指令各自的功能特点，使得上图的所示过程通过一条指令就能实现,ARM状态和Thumb状态（5）,ARM9指令类型和指令的条件域（1）,ARM指令集属于加载/存储型指令 指令的操作数都储存在寄存器中，处理结果直接放回到目的寄存器中 ARM9指令集可以分为6类 跳转指令 数据处理指令 存储器访问指令 协处理器指令 杂项指令 饱和算术指令,跳转指令,ARM9指令类型和指令的条件域（2）,数据处理指令,ARM9指令类型和指令的条件域（3）,存储器访问指令,ARM9指令类型和指令的条件域（4）,协处理器指令,ARM9指令类型和指令的条
4、件域（5）,杂项指令,ARM9指令类型和指令的条件域（6）,饱和算术指令,ARM9指令类型和指令的条件域（7）,ARM指令一般由操作码、目的寄存器、操作数几部分组成，并可以配合条件码，S后缀等可选项目，以完成更复杂操作，它的格式一般为：指令中内的项目是必需的，比如opcode, Rd, Rn等，内的项目是可选的,ARM9指令类型和指令的条件域（8）,ARM9指令类型和指令的条件域（9）,表3-1 ARM指令格式,ARM指令集几乎每条指令(除了某些v5T指令)都可以是条件执行的。指令的最高4位31:28称为条件码：,ARM9指令类型和指令的条件域,形式非常灵活，共有11种形式：,ARM9指令类型
5、和指令的条件域,ARM指令集有5种形式的位移操作 LSL逻辑左移 LSR逻辑右移 ASR算术右移 ROR循环右移 RRX带扩展的循环右移,ARM9指令类型和指令的条件域,逻辑左移（Logical Shift Left）：操作时在移位操作时，用0补足低位；而逻辑右移（Logical Shift Right）移动的方向相反，并用0补足高位。 算术右移（Arithmetic Shift Right）：在移位操作时，根据符号位来补足高位，若原数符号位是1，即当原数为负数时，移位空出的高位都用1补足，反之则用0补足。 循环右移（ROtate Right）：可以将数字看做首位相接的“环形”，当最低位被移出
6、后，它会绕到数组的最高位去，继续参与移位操作。 带扩展的循环右移（Rotate Right one bit with eXtended）：较前面的几种移位方法复杂一些，它需要用到CPSR中的C位。当最低位被向右移出后，最高位有C位的值补足，然后被移出的最低位被放到C位中。,ARM9指令类型和指令的条件域,立即数#并不是任意数都是合法的，在立即数寻址中，分配给立即数的空间是12位，8位用于保存一个常数，4位用于保存循环右移基数，而循环右移每次需要移动偶数位，即右移的位数是基数*2。 假设常数为A，循环右移位数为N，则最后得到的立即数=A循环右移（N*2位）。 0x3FC立即数合法，A=0b111
7、11111，N=0d15 0x1FE不合法,ARM9指令类型和指令的条件域,3.2 ARM指令的寻址方式,立即寻址 寄存器寻址 寄存器偏移寻址 寄存器间接寻址 基址变址寻址 多寄存器寻址 堆栈寻址 相对寻址,立即寻址 立即寻址也可被称为立即数寻址，读取指令后可以立即得到操作数，而不需要去物理内存得到相应内容。这个给出的操作数叫立即数，它一般以“#”为前缀，“#0x”、“#0d”，“#0b”开头的计数用来表示十六进制，十进制和二进制。,ARM指令的寻址方式,寄存器寻址 寄存器寻址也是一种不需要访问存储器内容的寻址方式，指令中直接指明操作数所在的寄存器，执行时处理器直接访问寄存器获取操作数,ARM
8、指令的寻址方式,寄存器偏移寻址 寄存器偏移寻址是ARM指令特有的一种寻址方式，第2操作数可以在与第1操作数结合之前，进行各种形式的移位操作,ARM指令的寻址方式,寄存器间接寻址 寄存器间接寻址的指令中虽然也是指定寄存器，但并不是直接拿寄存器中的值来进行运算操作，此时寄存器中储存的是地址，处理器需要根据这个地址从存储器中获取操作数。所以寄存器间接寻址是需要进行存储器访问的，所以执行效率比寄存器寻址要慢。,ARM指令的寻址方式,基址变址寻址 基址变址寻址与寄存器间接寻址相似，但此时从寄存器取出的内容需要加上指令所给定的偏移量，这样才构成操作数的有效地址。变址寻址方式通常用于访问基地址附近的地址单元
9、，常用于查表，数组操作，功能部件寄存器访问等,ARM指令的寻址方式,多寄存器寻址 多寄存器寻址方式可以在同一条指令中完成多个寄存器数据的传送，最多可以传送16个通用寄存器,ARM指令的寻址方式,堆栈寻址 堆栈是一个后进先出的数据结构，堆栈寻址方式会有一个指针，始终指向存储单元的栈顶，这个指针需要用一个专门的寄存器来存放，这个寄存器一般是R13。,ARM指令的寻址方式,有四种栈堆形式： 堆栈指针总是指向最后压入堆栈的数据，称为满堆栈（Full Stack） 堆栈指针指向下一个空位置时，称为空堆栈（Empty Stack） 从低地址向高地址生长的堆栈叫递增堆栈（Ascending Stack） 从
10、高地址向低地址生长的堆栈叫递减堆栈（Descending Stack）,ARM指令的寻址方式,ARM指令的寻址方式,ARM指令的寻址方式,相对寻址 相对寻址可以看作是寄存器变址寻址方式的一个特例，因为此时包含基地址的寄存器特指程序计数器PC，通过PC值与指令中的偏移量结合，生成有效的操作数地址。一般这种寻址方式用于指令跳转,跳转指令,ARM转跳指令主要用于： 向后跳转实现循环； 通过条件判断实现现在跳转； 子程序调用；切换处理器工作状态。,ARM实现程序跳转有两种方法 将当前的程序寄存器PC值改写为跳转的目的地址，此时可以实现4G地址范围内的长跳转。使用专门的跳转指令实现，包括B、BL、BX和
11、BLX指令等,跳转指令,通用数据处理指令,ARM的通用数据处理指令大致可以分为4类 数据传送指令 算术逻辑运算指令 比较指令 前导零计数指令,数据传送指令 MOV(MOVE)和MVN(MOVE NOT) 格式为MOV指令将Operand2的值复制到Rd寄存器中，而MVN指令会先将Operand2按位取反后再复制到Rd寄存器中。 举例,通用数据处理指令,算术逻辑运算指令 ADD和ADC，SUB和SBC，RSB和RSC 这三组指令分别是加法指令，减法指令，逆向减法指令及其各自的带进位操作指令 格式为举例,通用数据处理指令,算术逻辑运算指令 AND，ORR，EOR，BIC 这四条指令分别是逻辑与指令
12、，逻辑或指令，逻辑异或指令和位清除指令 格式为举例,通用数据处理指令,比较指令 TST和TEQ 位测试指令和相等测试指令 格式为举例,通用数据处理指令,比较指令 CMP和CMN 比较指令和反值比较指令 格式为举例,通用数据处理指令,前导零计数指令 CLZ 前导零计数指令，它是从v5版本开始引入的 格式为该指令从Rm寄存器值的高位开始计数（32位的数据即从31开始），直到遇到第一个非零位为止，统计总共前导零的个数，并将统计值存入Rd中。,3.3.2 通用数据处理指令,乘法指令,MUL和MLA MUL和MLA指令是32的乘法指令和乘加指令 格式为举例,UMULL，UMLAL，SMULL和SMLAL
13、 上述指令的U表示无符号，S表示带符号，L表示结果为长整型。所以上述指令分别叫做无符号长整型乘法指令，无符号长整型乘加指令，带符号长整型乘法指令和带符号长整型乘加指令 格式为举例,乘法指令,SMULxy和SMLAxy SMULxy指令和SMLAxy指令是16位的带符号乘法指令 格式为举例,乘法指令,SMULWy和SMLAWy 分别是32*16位的带符号乘法指令和乘加指令 格式为举例,乘法指令,Load/Store内存访问指令,LDR和STR LDR和STR指令是单一数据加载和存储指令，LDR指令从内存读取数据装入寄存器中，STR指令将寄存器中的数据存入内存。 格式为举例,LDM和STM 批量加
14、载指令LDM将一片连续内存单元的数据加载到一组通用寄存器中，而批量存储指令STM将一组通用寄存器中的值存储到一片连续内存单元之中 格式为举例,Load/Store内存访问指令,SWP(Swap) 交换指令SWP用于寄存器和存储器之间内容的交换，它将指定内存单元的数据存入目标寄存器，然后将源寄存器的内容储存到该内存单元中 格式为举例,Load/Store内存访问指令,PLD 预读取PLD指令是ARMv5E版本引入的，它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 格式为举例,Load/Store内存访问指令,ARM协处理器指令,CDP
15、和CDP2 CDP是协处理器数据处理指令(Coprocessor Data oPeration)，用来执行特定的数据操作；CDP2是从ARMv5版本引进的 格式为举例,LDC和LDC2，STC和STC2 LDC指令将存储器内容复制到协处理器寄存器中，而STC指令则是将协处理器寄存器数据拷贝到存储器中。 格式为举例,ARM协处理器指令,MCR, MCR2和MCRR MCR指令将ARM寄存器中的数据传输到协处理器寄存器中。MCR指令将ARM寄存器中的数据传输到协处理器寄存器中 格式为 举例,ARM协处理器指令,MRC，MRC2和MRRC MRC指令的数据传输方向与MCR指令相反，它将协处理器寄存器
16、中的数据传送到ARM处理器寄存器中。MRC2指令是从ARMv5版本引入的，而MRRC指令从ARMv5E版本引入 格式为举例,ARM协处理器指令,杂项指令,SWI 软件中断指令SWI用来实现在用户模式下的程序调用管理模式下的代码，这条指令造成处理器模式的切换，CPSR会被存入管理模式下的SPSR，随后指令会跳转到中断向量。 格式为举例,MRS和MSR 状态寄存器读取指令MRS（Move to ARM Register from Status register）和写状态寄存器指令MSR（Move to a Status register from ARM Register），用于在程序状态寄存器和
17、ARM通用寄存器之间传输数据 格式为举例,杂项指令,BKPT ARMv5版本引入的断点指令，使用断点指令使ARM处理器进入Debug模式 格式为举例,杂项指令,饱和算术指令,QADD，QSUB，QDADD和QDSUB 饱和算术指令（saturating arithmetic instructions）在发生溢出时，Q位会被置位，若结果小于231，返回的结果为231，若结果大于231 -1，则返回的结果为231 -1。因此如果在计算结束后目标寄存器保存了饱和数（231或231 -1）且Q置位，则说明程序发生了溢出。 格式为举例,ARM伪指令,ADR 小范围的地址读取伪指令，主要用来读取基于PC相
18、对偏移的地址或基于寄存器相对偏移的地址。 格式为举例,ADRL 中等范围地址取指伪指令，它的取值范围比ADR要大，通常会用两条指令来替代 格式为举例,ARM伪指令,LDR 这里讲的是LDR伪指令，不是内存访问指令LDR。LDR伪指令是大范围地址读取伪指令，用于加载32位的立即数或是一个地址值 格式为举例,ARM伪指令,4、Thumb指令简介,Thumb指令将32位ARM指令的一个子集进行编码，成为一个16位的指令集。相对于ARM指令集，Thumb指令拥有更高的代码密度，这对于嵌入式设备来说至关重要。Thumb指令继承了ARM指令许多特点，它也是采用Load/Store结构，有数据处理、数据传送
19、机流控制指令等。除了B指令外，Thumb指令都是无条件执行的，许多Thumb指令数据处理指令都是采用2地址格式，即目的寄存器和源寄存器相同，而大多数ARM数据处理指令采用3地址格式,B B指令是Thumb指令中唯一可以条件执行的指令。 格式为举例,Thumb跳转指令,BL 带链接的长跳转 格式为举例,Thumb跳转指令,BX BX指令在跳转的同时，会选择性的切换指令集 格式举例,Thumb跳转指令,BLX BLX是带链接的跳转，并选择性的切换指令集。指令格式如下： 格式举例,Thumb跳转指令,Thumb通用数据处理指令,AND，ORR，EOR和BIC 这四条指令是按位逻辑运算指令，分别是按位
20、与，按位或，按位异或和按位清零操作 格式举例,Thumb通用数据处理指令,ASR，LSL， LSR和ROR 这四条指令是移位指令，分这四条指令是按位逻辑运算指令，分别是按位与，按位或，按位异或和按位清零操作 格式举例,CMP和CMN 比较指令和反值比较指令 格式举例,Thumb通用数据处理指令,MOV，MVN和NEG 格式：举例,Thumb通用数据处理指令,TST 位测试指令 格式举例,Thumb通用数据处理指令,Thumb算术指令,低寄存器 的ADD和SUB 低寄存器是指指令中使用的寄存器范围是R0-R7 格式举例,高寄存器或低寄存器的ADD 格式举例,Thumb算术指令,sp的ADD和SU
21、B 这两条指令将堆栈指针sp作为操作数，用来增加或减少sp 格式举例,Thumb算术指令,Thumb算术指令,pc或sp相关的ADD 这条指令将sp或pc的值加上或减去一个常量，并将结果存入低寄存器中 格式举例,ADC，SBC和MUL 这三条指令分别是带进位的加法指令，带进位的减法指令，以及乘法指令。 格式举例,Thumb算术指令,立即数偏移的LDR和STR 内存地址由寄存器基址和立即数偏移指定 格式举例,Thumb内存访问指令,寄存器偏移的LDR和STR 内存地址由寄存器基址和寄存器偏移指定 格式举例,Thumb内存访问指令,pc或sp相关的LDR和STR 内存地址由pc值或sp值加上一个偏
22、移量指定 格式举例,Thumb内存访问指令,PUSH和POP PUSH指令将低寄存器（有时包括lr）的内容压入堆栈中；POP指令将低寄存器（有时包括pc）的内容从堆栈中弹出 格式举例,Thumb内存访问指令,LDMIA和STMIA 这两条指令用来读取或存入多个寄存器内容 格式举例,Thumb内存访问指令,Thumb软中断和断电指令,SWI 软中断指令 格式举例,BKPT 断点指令 格式举例,Thumb软中断和断电指令,Thumb伪指令,ADR Thumb伪指令 ADR伪指令读取一个程序相对的地址到寄存器 格式举例,DR Thumb伪指令 LDR伪指令读取地址或32位的常量到低寄存器中 格式举例,Thumb伪指令,
