嵌入式系统刘彦文第3章

1、第第三三章章 ARM920T指令系统 本章主要内容： ARM指令 第三章 ARM920T指令系统 由于ARM指令集是面向底层硬件的汇编语言，所以需要掌握前一章微处理器组成结构的知识，才能灵活的应用ARM的指令集，所以希望大家课后能够认真复习第二章的知识点 第三章 ARM920T指令系统3.1.1 ARM指令集概述 3.1 指令集概述第三章 ARM920T指令系统 ARM指令长度均为32位，在存储器中以字边界对齐 因此ARM指令地址的最低两位总是为0 bit1:0=00 注意区分指令地址和指令存储器 第三章 ARM920T指令系统 所有ARM指令，指令中凡涉及程序地址操作数的，最低2位均被忽略

2、只有BX指令除外 BX指令用最低位确定分支处的代码： 如果bit0=1,分支到Thumb代码 如果bit0=0,分支到ARM代码 第三章 ARM920T指令系统1.ARM指令分组：1）分支指令2）数据处理指令3）状态寄存器访问指令4）单个寄存器装入或存储指令5）块数据装入或存储指令6）协处理指令 第三章 ARM920T指令系统2.ARM指令的能力：1）条件执行2）寄存器访问3）在线式桶形移位器的访问barrel shifter 第三章 ARM920T指令系统3.1.2 ARM指令集全部指令编码及条件域简介 第三章 ARM920T指令系统1.ARM指令集全部指令编码格式： 全部指令均为等长的32

3、位 在存储器保存一条指令占4字节空间 保存指令的地址必须以字边界对齐 采用了RISC结构，指令编码较简单 第三章 ARM920T指令系统 第三章 ARM920T指令系统1.数据处理/程序状态寄存器传送指令2.乘、乘累加指令3.长乘、长乘累加指令4.单个数据交换指令5.分支并且转换状态指令6.半字、带符号字节/半字传送指令（寄存器偏移量） 第三章 ARM920T指令系统7.半字、带符号字节/半字传送指令（立即数偏移量）8.单个数据传送指令9.未定义指令10.块数据传送指令11.分支、分支并且连接指令 第三章 ARM920T指令系统12.协处理器数据传送指令13.协处理器数据操作指令14.协处理器

4、寄存器传送指令15.软件中断指令 第三章 ARM920T指令系统2.指令编码中的条件域 图3.1中指令编码格式中的bit31:28称为条件域 在ARM状态，所有指令都要根据CPSR中的条件码标志和指令中条件域指定的内容有条件地执行 第三章 ARM920T指令系统2.指令编码中的条件域 有15种可能的条件 每一种由2个字符代替 这两个字符称为条件码助记符后缀 可以附加在指令助记符后 第三章 ARM920T指令系统 第三章 ARM920T指令系统 第三章 ARM920T指令系统2.指令编码中的条件域例：分支指令B如果附加条件码助记符后缀EQ，写作BEQ表示相等时这条指令才执行；如Z1，则这条指令不

5、被执行 第三章 ARM920T指令系统2.指令编码中的条件域 bit31：28代码为1111的情况没有使用，保留 代码为1110的，对应后缀AL，表示无条件执行 AL为缺省形式，如B和BAL都表示无条件地执行 第三章 ARM920T指令系统3.2.1 分支并且转换状态指令（BX） 3.2 ARM指令第三章 ARM920T指令系统 在该指令中指定了一个Rn寄存器，将Rn内容拷贝到PC 同时使PC0=0 第三章 ARM920T指令系统 如果Rn0=1，将处理器转换成Thumb状态，把目标地址处代码解释为Thumb代码 如果Rn0=0，将处理器转换成ARM状态，把目标地址处代码解释为ARM代码 第三

6、章 ARM920T指令系统1.指令含义 通过拷贝一个通用寄存器Rn的内容到程序计数器PC，实现分支功能 这条指令允许处理器状态被转换 第三章 ARM920T指令系统2.指令汇编格式 BXcondRn其中：cond：表示两个字符的条件码助记符Rn：表示合法的寄存器编号 第三章 ARM920T指令系统2.指令汇编格式 BXcondRnRn寄存器中装入的内容为分支目的地址其中bit0用于指示后续指令为ARM或Thumb指令 第三章 ARM920T指令系统2.指令汇编格式 BXcondRn 应避免使用R15作为操作数Rn 可以使用MOV PC,PC或ADD PC,PC,#0指令 第三章 ARM920T

7、指令系统3.使用举例例3.1：处理器从执行ARM指令代码处分支到标号为Goto_THUMB处，并且执行Thumb指令代码，然后又返回到Back_ARM处，执行ARM指令代码 第三章 ARM920T指令系统 ADR R1,Goto_THUMB+1 BX R1 . CODE16Goto_THUMB . ADR R2,Back_ARM BX R2 . ALIGN CODE32Back_ARM 第三章 ARM920T指令系统3.2.2 分支、分支并且连接指令（B、BL） 第三章 ARM920T指令系统 分支指令B使程序分支（转移）到确定的地址处执行 分支且连接指令BL除了分支外，还要保存返回地址到LR

8、寄存器 即把BL指令的下一条指令地址送LR 第三章 ARM920T指令系统 这两条指令只允许分支到ARM指令代码处，不允许分支到Thumb指令代码处 第三章 ARM920T指令系统1.指令含义 对于B，能在32MB地址范围内实现分支 question： 为什么是32MB？ 第三章 ARM920T指令系统1.指令含义 对于BL，执行指令时会将PC值写入当前寄存器组的连接寄存器R14 写入的值是经过调整的、跟在BL后下一条指令的地址 同时R14的bit1：0被清0 第三章 ARM920T指令系统1.指令含义 BL可调用一个子程序 从子程序返回时，如果R14（LR）在子程序中没有被修改，可以使用：

9、MOV PC，R14 指令实现返回 第三章 ARM920T指令系统2.指令汇编格式 BLcond其中：L连接指令标记cond条件码助记符目标地址，由汇编器计算偏移量 第三章 ARM920T指令系统3.使用举例例3.2使用B指令使部分代码循环5次 MOV R0,#5Loop1 SUBS R0,#1 BNE Loop1 第三章 ARM920T指令系统3.使用举例例3.3使用BL指令调用不同的子程序 CMP R0,#0 BLEQ SUBEQPROG BLGT SUBGTPROG BL SUBLTPROG 第三章 ARM920T指令系统3.2.3 数据处理指令 第三章 ARM920T指令系统ARM数据

10、处理指令可以分为三类： 数据传送指令（MOV、MVN） 算术逻辑操作指令(ADD、SUB) 比较指令(CMP、TST) 第三章 ARM920T指令系统 数据处理指令只能对寄存器的内容进行操作 不允许对存储器中的数据进行操作 不允许指令直接使用存储器的数据或在寄存器与存储器之间传送数据why？ 第三章 ARM920T指令系统 对于数据传送指令MOV和MVN，指令中指定的目的寄存器的内容被覆盖 如果目的寄存器指定了PC，如MOV PC,R14 则可实现程序的转移 第三章 ARM920T指令系统 数据传送指令可以实现1.寄存器到寄存器的传送2.立即数到寄存器的传送 第三章 ARM920T指令系统 算

11、术逻辑操作指令通常对指定的两个寄存器(或1个寄存器、1个立即数)进行操作，结果存到第3个寄存器 允许选择修改CPSR中的条件码标志 第三章 ARM920T指令系统 比较指令TEQ、TST、CMP和CMN,通常对指定的两个寄存器（或1个寄存器、1个立即数）进行比较 比较结果不保存到寄存器，只影响CPSR中的条件码标志 第三章 ARM920T指令系统 上述指令通常允许对指定的操作数进行移位操作 第三章 ARM920T指令系统1.指令编码格式 指令中第1个操作数总是寄存器Rn Rd称为目的寄存器 TST、TEQ、CMP和CMN指令不送结果到目的寄存器Rd，其他指令产生的结果送Rd 第三章 ARM92

12、0T指令系统1.指令编码格式 第2操作数Operand2可以是：1）寄存器Rm的值经过移位产生的32位值2）8位立即数经过循环右移产生的32位的值 指令中bit25的值用来选择Rm或8位立即数 第三章 ARM920T指令系统1.指令编码格式 CPSR中的条件码标志可能被保护或由指令的结果设置 取决于指令中bit20的值 第三章 ARM920T指令系统1.指令编码格式 但是指令TST、TEQ、CMP和CMN，汇编器产生的指令编码一定会把指令的bit20置1 再执行指令时，由测试结果设置CPSR中的条件码标志 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义1）各指令含义数据处理指令依指令编码格式中bi

13、t24:21分为16条指令，包括： 数据传送 算术逻辑操作 比较指令 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义2）指令对CPSR条件码标志位的影响 逻辑操作对操作数按位操作 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义2）指令对CPSR条件码标志位的影响逻辑操作和数据传送操作指令中： S位被置1或置0（且Rd不是R15），V标志位不受影响 第三章 ARM920T指令系统 C标志位由桶形移位器产生的carry out设置 指令操作结果为全0时Z标志位被设置 N标志位由操作结果的bit31的值设置 第三章 ARM920T指令系统算术操作指令中，每个操作数被看作32位整数： 如果S位被置1（且Rd不

14、是R15），则V标志位受影响 如果S位被置0，则标志位不受影响 第三章 ARM920T指令系统 发生溢出时，V标志位被设置 C标志位由ALU的bit31产生的进位设置 指令操作结果为全0时Z标志位被设置 N标志位由操作结果的bit31的值设置 第三章 ARM920T指令系统溢出和进位的区别： 溢出：溢出把数据当作有符号数计算，如果最高位不同不会产生溢出，如果最高位相同，运算结果与其不同则产生溢出 第三章 ARM920T指令系统溢出和进位的区别： 进位：进位把计算的两个数当作无符号数，最高位向上进位则为进位，没有则不进位 第三章 ARM920T指令系统举例：-1+（-1）=-2 有进位,无溢出7

15、+4=11 无进位,有溢出 第三章 ARM920T指令系统3）对寄存器Rm内容进行移位，结果作为Operand2的值 指令编码格式中可以使用bit3：0指定被移位的寄存器Rm bit11:4指定对Rm的移位方法和移位的量 第三章 ARM920T指令系统bit11:4指定移位量的方法有两种： 一种是直接使用bit11:7中的值作为移位量 一种是由bit11:8制定Rs寄存器中最低一字节内容作为移位量 第三章 ARM920T指令系统 对Rm内容进行移位后得到的值作为Operand2的值 移位在桶形移位器中进行 移位与传送操作同时进行 第三章 ARM920T指令系统移位类型有： 逻辑左移（LSL）

16、逻辑右移（LSR） 算术右移（ASR） 循环右移（ROR） 当循环右移的位移量为0时，称为扩展循环右移（RRX） 第三章 ARM920T指令系统（1）根据指令中bit11:7指定的移位量对Rm移位1.逻辑左移（LSL） 将最高位移到CPSR中的C位 其余各位左移一位 最低位补0 第三章 ARM920T指令系统2.逻辑右移（LSR） 将最低位移到CPSR中的C位 其余各位右移一位 最高位补0 当移位次数为0时，看作移位32次，将全0送Operand2，Rm31送CPSR中的C位 第三章 ARM920T指令系统3.算术右移（ASR） 将符号位，即最高位右移一位 同时保留最高位的值不变 其余操作同逻

17、辑右移 当移位次数为0时看作移位32次 第三章 ARM920T指令系统4.循环右移（ROR） 将最低位移到CPSR中的C位 将最低位移到最高位 其余各位右移一位 第三章 ARM920T指令系统4.循环右移（ROR） 移位次数为0的功能有些特殊 称为扩展循环右移，写作RRX 功能是将CPSR中的C位移入Operand2的最高位，原Rm内容右移一位，Rm最低位移到CPSR中的C位 第三章 ARM920T指令系统（2）使用指令中bit11:8指定Rs寄存器，且用Rs中最低字节指定移位量 Rs可以选择除R15外的任一通用寄存器 如果Rs中指定的移位次数为0，那么不改变Rm的内容作为Operand2 C

18、位的值不变 第三章 ARM920T指令系统如果Rs中最低字节指定的移位次数大于、等于32产生的结果： 对LSL 对LSR 对ASR 对ROR carry out的值均送往CPSR的进位标志C 第三章 ARM920T指令系统4)对指令中bit7:0指定的8位无符号立即数循环右移 对指令中bit7:0指定的8位无符号立即数进行循环右移 用bit11:8制定移位量，它是一个4位无符号整数 第三章 ARM920T指令系统操作过程： 把指令中bit7:0制定的8位无符号立即数作为最低字节 高位bit31:8用0扩展，形成一个32位数 对这个32位数进行循环右移 第三章 ARM920T指令系统操作过程：

19、移位次数由指令中bit11:8指定的4位无符号数乘以2得到，分别是0，2，4，.，30 MOV R0,#0 xff000000汇编后等价指令： MOV RO,#0 xff，8 第三章 ARM920T指令系统 指令长度只有32位，指令无法直接得到一个32位立即数 但在指令汇编格式中允许使用一个32位立即数 第三章 ARM920T指令系统 汇编器试图将32立即数转变成一个8位立即数存放在指令的bit7:0，另外转变出一个移位量 如果不能转变成这样的格式，汇编器报告错误 第三章 ARM920T指令系统5)关于R15和CPSR中的条件码标志1.当Rd不是R15时，CPSR可能被更改2.当Rd是R15，

20、且bit20即S=0 指令操作结果不影响CPSR 指令操作结果送R15 第三章 ARM920T指令系统5)关于R15和CPSR中的条件码标志3.当Rd是R15，且bit20即S=1 指令操作结果影响CPSR 指令操作结果送R15 当前方式的SPSR送CPSR这样可以恢复PC和CPSR，这种指令的使用只能在非用户方式 第三章 ARM920T指令系统5)关于R15和CPSR中的条件码标志4.如果R15被用作操作数而不是目的寄存器Rd 可以直接使用这个寄存器 R15的值将是当前指令地址加8的值 而对于使用寄存器指定移位量的情况，将是当前指令地址加12的值 第三章 ARM920T指令系统5)关于R15

21、和CPSR中的条件码标志5.TEQ、TST、CMP和CMN指令对CPSR的影响 第三章 ARM920T指令系统3.指令汇编格式对于数据传送指令格式为： cond S Rd,对于不保存结果的比较和测试指令，格式为： cond Rd, 第三章 ARM920T指令系统3.指令汇编格式对于AND、EOR、SUB、RSB、ADD、ADC、SBS、RSC、ORR、BIC格式为： cond S Rd, Rn, 第三章 ARM920T指令系统4.使用举例 第三章 ARM920T指令系统3.2.4 程序状态寄存器传送指令（MRS、MSR） 第三章 ARM920T指令系统 只有程序状态寄存器传送指令才允许读/写程

22、序状态寄存器：CPSR或SPSR_ 第三章 ARM920T指令系统这两条指令配合可以实现对程序状态寄存器的读修改写操作，常用于： 对FIQ、IRQ设置允许/禁止 转换处理器的操作方式 也可用于修改条件码标志 第三章 ARM920T指令系统1.指令编码格式见图3.9至图3.11 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义 MRS允许将CPSR或SPSR_的内容传送到一个通用寄存器 MSR指令允许将一个立即数或寄存器的内容传送到CPSR或SPSR_ 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义 MSR指令也允许将一个立即数或寄存器的内容只传送到CPSR或SPSR_寄存器的条件码标志（N、Z、R和V）

23、，而不影响其他控制位 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义指令中的操作数有如下限制：（1）在用户方式： CPSR的控制位被保护，不能改变 只有条件码标志能被改变在特权方式：允许改变整个CPSR 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义（2）程序不要改变CPSR的T状态位，否则处理器进入未定义状态（3）访问哪个SPSR寄存器取决于当时的执行方式（4）不能将R15指定为源或目的寄存器 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义（5）在用户方式，不能使用SPSR寄存器（6）CPSR或SPSR_寄存器的保留位不要修改 只修改它们中需要并且允许修改的位，然后再写回原寄存器 第三章 ARM920T

24、指令系统3.指令汇编格式传送PSR内容到寄存器的指令MRS：MRS cond Rd,传送寄存器内容到PSR的指令MSR：MSR cond ,Rm 第三章 ARM920T指令系统3.指令汇编格式对于只传送寄存器最高4位到PSR条件码标志的指令MSR，格式为：MSR cond ,Rm 第三章 ARM920T指令系统3.指令汇编格式对于只传送立即数到PSR的最高4位的指令MSR，格式为：MSR cond , 第三章 ARM920T指令系统4.使用举例 第三章 ARM920T指令系统3.2.5 乘、乘累加指令（MUL、MLA） 第三章 ARM920T指令系统1.指令含义 乘指令MUL实现32位数乘32

25、位数，只保留积的低32位 乘累加指令MLA实现32位数乘32位数，积的低32位与另外一个32位数累加，结果保留32位 第三章 ARM920T指令系统1.指令含义 指令中S位可以选择是否设置CPSR中的条件码标志： N、Z位按常规 C位不可预知 V位不受影响 第三章 ARM920T指令系统2.指令汇编格式 乘指令汇编格式：MULcondS Rd,Rm,Rs 乘累加指令汇编格式：MLAcondS Rd,Rm,Rs,Rn 第三章 ARM920T指令系统3.使用举例MUL R1,R2,R0MLAEQS R0,R1,R2,R3 第三章 ARM920T指令系统3.2.6长乘、长乘累加指令（MULL、MLA

26、L） 第三章 ARM920T指令系统1.指令含义 长乘指令MULL实现32位数乘32位数，结果保留在两个32位寄存器中 长乘指令区分带符号数和无符号数 第三章 ARM920T指令系统1.指令含义 长乘累加指令MLAL实现32位数乘32位数积的64位与另一个64位数相加，结果保存在两个32位寄存其中 长乘累加指令区分带符号数和无符号数 第三章 ARM920T指令系统1.指令含义 指令中S位可以选择是否设置CPSR中的条件码标志。 N=RdHi31 只有结果的64位全为0时，Z被置1 CV标志位不可预知 第三章 ARM920T指令系统2.指令汇编格式 无符号数长乘指令汇编格式：UMULLcondS

27、 RdLo,RdHi,Rm,Rs 无符号数长乘累加指令汇编格式：UMLALcondS RdLo,RdHi,Rm,Rs 第三章 ARM920T指令系统2.指令汇编格式 带符号数长乘指令汇编格式：SMULLcondS RdLo,RdHi,Rm,Rs 带符号数长乘累加指令汇编格式：SMLALcondS RdLo,RdHi,Rm,Rs 第三章 ARM920T指令系统3.使用举例 第三章 ARM920T指令系统3.2.7 单个数据传送指令（LDR、STR） 第三章 ARM920T指令系统1.指令编码格式 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义 LDR指令：从存储器指定地址装入一个字数据到目的寄存器

28、LDRB指令：从存储器指定地址装入一字节数据到目的寄存器的bit7:0，bit31,8填0 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义 STR指令：保存寄存器一个字数据到存储器指定地址 STRB指令：保存寄存器的低8位数据到存储器指定地址 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义指令中可以指定回写位： 当指令中W=1时，通过计算得到的存储器地址回写到基址寄存器 W=0时，基址寄存器的值保持原值 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义1)偏移量和自动索引 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义2）传送字节/字3）使用R15R15可做基址寄存器RnR15不可做偏移寄存器Rm 第三章 AR

29、M920T指令系统3.指令汇编格式condBTRd,cond同上B同上T同上 第三章 ARM920T指令系统3.指令汇编格式的5种情况：1）能产生地址的表达式2）先索引寻址3）后索引寻址4）关于5）关于! 第三章 ARM920T指令系统4.使用举例 第三章 ARM920T指令系统3.2.8 半字、带符号字节/半字传送指令（LDRH、STRH、LDRSB、LDRSH） 第三章 ARM920T指令系统1.指令编码格式（两种）A.偏移量在制定的寄存器中B.指令中的8位立即数作为偏移量 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义LDRH：从存储器装入半字数据到寄存器低16位，高16位用0扩展STRH：

30、寄存器低半字节数据到存储器 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义LDRSB:从存储器装入一字节数据到寄存器bit7:0，符号位bit7扩展寄存器bit31:8LDRSH：从存储器装入半字数据到寄存器bit15:0，用符号位bit15扩展寄存器的bit31:16 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义LDRSB:从存储器装入一字节数据到寄存器bit7:0，符号位bit7扩展寄存器bit31:8LDRSH：从存储器装入半字数据到寄存器bit15:0，用符号位bit15扩展寄存器的bit31:16 第三章 ARM920T指令系统2.指令含义1）偏移量和自动索引2）半字装入和存储指令3）带符

31、号字节/半字数据装入指令4）使用R15R15可做基址寄存器RnR15不可做偏移寄存器Rm 第三章 ARM920T指令系统3.指令汇编格式condRd,cond同上H同上SB 只用于装入寄存器SH 只用于装入寄存器 第三章 ARM920T指令系统3.指令汇编格式5种情况：1）能产生地址的表达式2）先索引寻址3）后索引寻址4）Rn和Rm5）关于! 第三章 ARM920T指令系统4.使用举例 第三章 ARM920T指令系统3.2.9 块数据传送指令（LDM、STM） 第三章 ARM920T指令系统1.指令编码格式 第三章 ARM920T指令系统2.寻址方式1）寄存器列表bit15:0中16位域每一位

32、对应一个寄存器bit0=1,表示R0被传送bit0=0,表示R0不被传送bit15:0不能为全0 第三章 ARM920T指令系统2.寻址方式2）寻址方式传送地址由Rn决定编号低的寄存器传送到地址低的存储器3）地址对齐 第三章 ARM920T指令系统2.寻址方式4）S位的使用（1）列表中有R15，且S被设置的LDM指令STEP1:R15被装入STEP2:SPSR_转入CPSR 第三章 ARM920T指令系统2.寻址方式4）S位的使用（2）列表中有R15，且S被设置的STM指令传送的是用户方式寄存器组用于程序切换时，保存用户方式状态 第三章 ARM920T指令系统2.寻址方式4）S位的使用（3）列

33、表中没有R15，且S被设置传送的是用户方式寄存器组用于程序切换时，保存和恢复用户方式状态 第三章 ARM920T指令系统2.寻址方式5）关于使用R15作为基址寄存器不应该使用R15作为基址寄存器 第三章 ARM920T指令系统2.寻址方式6）基址寄存器在寄存器列表中当指定了回写方式，在指令的第二个周期结束时，基址寄存器被回写 第三章 ARM920T指令系统2.寻址方式6）基址寄存器在寄存器列表中指定了回写方式时对于STM指令：基址寄存器是第一个被保存的，保存的是没被修改过的值基址寄存器是二个或以后的寄存器，则保存的是修改过的值 第三章 ARM920T指令系统2.寻址方式6）基址寄存器在寄存器列

34、表中指定了回写方式时对于LDM指令：总是用对应存储器单元的值装入并覆盖寄存器列表中基址寄存器的值 第三章 ARM920T指令系统3.指令汇编格式cond如果使用堆栈指针寄存器R13作为基址寄存器，使用FD、ED、FA、EA 第三章 ARM920T指令系统3.指令汇编格式F:满堆栈，指针指向棧中最后一项E：空堆栈，指针指向棧中下一个可用空间A：递增，堆栈向存储器地址增大方向生长D：递减，堆栈向存储器地址减小方向生长 第三章 ARM920T指令系统3.指令汇编格式如果不使用R13作为基址寄存器使用后缀IA、IB、DA、DBI表示增量，D表示减量A表示后索引，B表示先索引 第三章 ARM920T指令系统4.使用举例 第三章 ARM920T指令系统3.2.10 单个数据交换指令（SWP） 第三章 ARM920T指令系统1.指令含义包含两个操作：一个存储器读一个存储器写以上两个操作被绑在一起，不可分割 第三章 ARM920T指令系统1.指令含义交换指令中的Rd、Rn或Rm不允许指定R15 第三章 ARM920T指令系统2.指令汇编格式condB Rd,Rm,Rn 第三章 ARM920T指令系统3.使用举例SWP R1,