【ARM汇编】第三章：ARM指令系统

指令基础

指令周期和时序

时钟信号：是一个周期性的脉冲信号
时钟周期（clock cycle）：一个时钟脉冲的时间长度，是主频的倒数
时钟频率：也称为主频，一秒内，时钟信号的个数
指令周期（instruction cycle）：执行一条指令需要的时间，不同指令的指令周期不同，和操作数的寻址方式也有关，一般情况下，以访问寄存器所需的最长时间来衡量指令周期

对于ARM7而言，所有存储器的传输周期都可以被归结到以下4个类型：

• 不连续周期：上一次和本次访问的操作数地址没有联系，称为访问非顺序内存位置的周期，简称N周期
• 连续周期：上一次和本次访问的操作数地址相同或连续，称为访问顺序内存位置的周期，简称S周期
• 内部周期：ARM不请求传输，只是执行内部功能，称为内部周期，简称I周期
• 协处理器寄存器传输周期：ARM与协处理器之间的数据总线传输一个字的周期，简称C周期

程序的执行过程

执行一条指令的过程可以分为：取指、译码、执行

• 取指：CPU进入取指阶段，通过控制总线（control bus）发出读命令，并从地址总线（addr bus）所给出的地址，即存储器中取出指令代码，经过数据总线送到CPU的指令寄存器中
• 译码：翻译取出的指令代码
• 执行：执行代码指定的动作

ARM汇编语言

指令和指令格式

指令和指令系统

指令：指示计算机进行某种操作的命令
指令系统：指令的集合称为指令系统
助记符：指令的符号表示

指令的表示方法

指令在内存中，以二进制形式保存
ARM指令代码一般可以分为5个域：

• 【31:28】：条件码域
• 【27:20】：指令码域，除指令编码外，还包含几个很重要的指令特征和可选后缀的编码
• 【15:12】：地址基址Rn，为R0-R15共16个寄存器编码
• 【15:12】：目标或源寄存器Rd，为R0-R15共16个寄存器编码
• 【11:0】：地址偏移或操作寄存器、操作数区

汇编的指令格式

操作码  指令的执行条件  S  目的操作数   源操作数  源操作数2
<opcode> {<cond>} {S} <Rd>, <Rn> {, <OP2>}

• <> ：括号里的内容必不可少
• {} ： 括号里的内容可省略
• opcode：操作码，如ADD表示加法
• cond：指令执行的条件域，如EQ，NE，省略则为默认AL，无条件执行
• S：决定指令的执行结果是否影响CPSR的值，使用该后缀则影响
• Rd：目的操作数的寄存器
• Rn：第一个操作数的寄存器
• OP2：第二个操作数，可以是立即数、寄存器、偏移地址

指令的可选后缀

ARM指令集中大多数指令，都可以加后缀，这使得指令的使用更加灵活，常见的S和！

S后缀

• 指令使用“S”后缀时，指令执行后程序状态寄存器的条件标志位被刷新
• 不使用“S”后缀时，条件标志位不改变
• “S”后缀通常用于对条件进行测试，例如是否溢出、进位等

!后缀

• 地址表达式中不含“!”，则基址寄存器中的地址值不会发生变化
• 含有“!”，基址寄存器中的地址值发生变化，基址寄存器的值，变为原来的值再加上偏移地址

例如：LDR R3，[R0，#4]，关键在于R0是否发生变化

使用“!”需要注意：

• 必须紧跟在地址表达式的后面，而地址表达式要有明确的偏移量
• 不能用于R15（PC）后面
• 当用在单个地址寄存器后面时，必须确信这个寄存器有隐形的偏移量

指令的条件执行

• 程序要执行的指令都保存在存储器中，需要执行时，先产生地址，再根据地址，去存储器取出指令代码，然后译码执行
• 当工作在ARM状态时，几乎所有的指令都根据CPSR中条件码和指令的条件域，有条件的执行，不满足则忽略
• ARM指令包含4位条件码，位于【31:28】，共16种，每种可用两个字母表示，它可以添加在指令助记符后面和指令同时使用
  
  条件后缀和S后缀的关系：
• 都存在时，S写后面，如ADDEQS
• 条件后缀是要测试条件标志位，而S后缀是要刷新条件标志位
• 条件后缀要测试的是执行前的标志位，而S后缀在执行后改变标志位

ARM指令分类

ARM指令集可以分为：数据处理指令、数据加载存储指令、分支指令、程序状态寄存器PSR处理指令、协处理器指令、异常产生指令

ARM指令的寻址方式

寻址方式：根据操作数的信息，来寻找操作数对应的实际物理地址

立即寻址

MOV R0，#5

#5就是立即寻址，必须加#前缀
对于十进制，可以加0d或缺省，如：#0d5
对于十六进制，必须加0x或者&，如：#0x5
对于二进制，必须加0b，如：#0b11

寄存器寻址

寄存器寻址，就是利用寄存器中的数值作为操作数

ADD R0, R1, R2

R1+R2 -> R0

寄存器间接寻址

以寄存器的值作为操作数的地址，而操作数本身存放在存储器中

LDR R0, [R4]

以R4的值为地址，去存储器中找到对应物理地址，取出的数才是操作数

寄存器移位寻址

操作数由寄存器的值经过移位后得到，移位的方式在指令中以助记符给出

ADD R0, R1, R2, LSL #1

R1 + (R2 << 1) -> R0

MOV R0, R1, LSL R3

(R1<<3) -> R0

基址变址寻址

将寄存器的内容，与指令给出的偏移地址相加，得到操作数的地址，操作数在存储器中

LDR R0, [R1. #4]

[R1+4] -> R0

LDR R0, [R1. #4]！

[R1+4] -> R0, R1+4 -> R1

LDR R0, [R1], #4

[R1] -> R0, R1+4 -> R1

LDR R0, [R1. R2]

[R1+R2] -> R0

多寄存器寻址

一条指令可以完成多个寄存器值的传送，连续的寄存器用“-”连接，否则用“，”连接

LDMIA R0!, {R1-R4}

[R0] -> R1
[R0+4] -> R2
[R0+8] -> R3
[R0+12] -> R4

该指令的后缀IA表示，每次执行完加载/存储操作后，R0按（32位）增加

相对寻址

相对寻址以程序计数器PC的当前值为基地址，指令中的地址标号作为偏移量，相加之后，得到操作数的地址，一般用于子程序的调用，中断异常的处理

堆栈寻址

使用堆栈指针表示当前栈顶位置，R13一般为堆栈指针
ARM中采用LDMFD、STMFD指令来支持POP和PUSH操作

STMFD R13!, {R0-R4}
LDMFD R13!, {R0-R4}

S-STORE，将R0-R4压栈
L-LOAD，将R0-R4出栈

数据处理指令

数据处理指令对存放在寄存器中的数据进行操作，分为

• 数据传送指令
• 算术指令
• 逻辑运算指令
• 比较指令
• 乘法指令
  

ARM数据处理指令机器编码格式如下：

• cond：指令执行的条件码
• I：用于区别第二操作数是立即数（I=1）还是寄存器移位（I=0）
• opcode：数据处理指令操作码
• S：用于设置条件码，S=0时条件码不变
• Rn：第一操作数寄存器
• Rd：目标寄存器
• op2：第二操作数，该操作数可以是立即数或寄存器移位数

数据传送指令

将一个寄存器中的数据或立即数，传送到另一个寄存器

MOV

MOV {<cont>} {S} Rd, op2

功能：

• MOV指令将源操作数op2传送到Rd中，通常op2是立即数、寄存器Rm、或寄存器Rm移位
• S决定结果是否影响CPSR中条件标志位

MOV R1, R0

R0 -> R1

MOV PC, R14

R14 -> PC，常用于子程序返回

MOV R1, R0, LEL #3

(R0<<3) -> R1

MOV R0, #5

5 -> R0

MVN

MVN {<cont>} {S} Rd, op2

功能：

• 将一个寄存器、移位寄存器、立即数传送到目的寄存器Rd
• 数据在传送之前按位取反
• S决定结果是否影响CPSR中条件标志位

MVN R0, #1
MVN R1, R2

移位操作

• ARM微处理器一个特点：在操作数进入ALU之前，对操作数进行预处理，如左移和右移
• 这种处理是通过内嵌的桶形移位器（barrel shifter）实现的
• 桶形移位器支持数据的各种移位操作，移位操作在ARM指令集不再作为单独的指令使用，而是作为一个选项
• 包括逻辑左移LSL，逻辑右移LSR，算术右移ASR，循环右移ROR，带扩展的循环右移RRX

LSL

Rm, LSL<opl>

• LSL指令完成对通用寄存器Rm中的内容进行逻辑左移，按opl指定的位数移位，低位用0填充，相当于无符号数乘2^n
• opl可以是立即数，也可以是寄存器方式

LSR

Rm, LSR<opl>

• 寄存器Rm右移opl指定的次数，空位用零填充，opl的要求如同LSL

ASR

Rm, ASR<opl>

• 寄存器Rm按opl指定的次数右移，其中高位用31位原本的值填充（注意有符号数的负数，31位为1）
• opl的要求同上，但是范围限制到1-32

ROR

Rm, ROR<opl>

• 右移指定次数，其中空出来的最高位，用最低位移出去的数来补
• opl要求同上，范围限制1-31

RRX

Rm, RRX

对通用寄存器中的内容进行RRX右移一位时，该寄存器的32位+C标志位，一共33位组成一个循环右移

算术指令

主要是加减法，实现两个32位数据的加减操作，通常与桶形移位器结合起来，实现许多灵活的功能
主要包括：加法ADD，带进位加法ADC，减法SUB，带借位减法SBC，逆向减法RSB，带借位逆向减法RSC

ADD

ADD {<cont>} {S} Rd, Rn, op2

• 将Rn与op2相加，结果送到Rd，Rn + op2 -> Rd
• Rn要求是寄存器，op2可以是寄存器、移位寄存器、立即数
• S决定指令的操作是否影响CPSR

ADD R0, R1, R2
ADD R0, R1, #5
ADD R0. R1. R2, LSL #2

第二操作数op2的要求：

• 是一个无符号的32位数
• 由一个8位无符号数，用0填充到32位，再循环右移偶数次，得到这个操作数，例如0x8801就不符合

ADC

ADC {<cont>} {S} Rd, Rn, op2

• Rn + op2 + C -> Rd，需要额外加上条件标志位C的值
• Rd，Rn必须是寄存器，op2可以是寄存器、移位寄存器、立即数
• 该指令用于实现超过32位的加法

例：两个64位数相加，第一个64位数，存放在R2、R3中，第二个存放在R4，R5中，64位结果存放在R0，R1中
分析：将两个64位数中，低32位相加，结果影响C标志位，然后将64位中的高32位以及低32位产生的进位相加

ADDS R0, R2, R4
ADC R1, R3, R5

SUB

SUB {<cont>} {S} Rd, Rn, op2

• Rn - op2 -> Rd
• 用于有符号、无符号数的减法运算

SUB R0, R1, R2
SUB R0, R1, #6
SUB R0, R2, R3, LSL #1

SBC

SBC {<cont>} {S} Rd, Rn, op2

• 带借位的减法，Rn - op2 - !C -> Rd
• S标志影响执行后CPSR的NZCV，SUB和SBC生成进位标志的方式不同于常规，如果需要进位，则清除进位标志，在指令执行期间自动反转此位
• 该指令使用进位标志表示借位，这样可以做大于32位的减法
• 注意，存在借位时，C=0

RSB

RSB {<cont>} {S} Rd, Rn, op2

• 逆向减法指令，op2 - Rn -> Rd

RSC

RSC {<cont>} {S} Rd, Rn, op2

• 带借位的逆向减法，op2 - Rn - !C -> Rd
• 用来做大于32位的减法

逻辑运算指令

逻辑运算是按位进行操作的，位与位之间没有进位或借位，没有数的正负大小之分
主要包括：AND逻辑与，ORR逻辑或，EOR逻辑异或，BIC位清除

AND

AND {<cont>} {S} Rd, Rn, op2

• 将操作数按位进行逻辑与运算，结果放到Rd
• Rn & op2 -> Rd
• 常用于将操作数Rn特定位清零

ORR

ORR {<cont>} {S} Rd, Rn, op2

• 将操作数按位进行逻辑或运算，结果放到Rd
• Rn | op2 -> Rd
• 常用于将操作数Rn特定位置1

EOR

EOR {<cont>} {S} Rd, Rn, op2

• 将操作数按位进行异或运算，结果放到Rd
• Rn ^ op2 -> Rd
• S决定执行后条件标志位的N Z
• 该指令常用于反转操作数Rn中的某些位

BIC

BIC {<cont>} {S} Rd, Rn, op2

• 用于清除操作数Rn的某些位，并把结果放到Rd中
• Rn & (!op2) -> Rd
• 这里的op2可以看做一个32位掩码，如果设置了某一位，则清除Rd中对应位
• S决定执行后条件标志位的N Z

比较指令

• 通常用于把一个寄存器与一个32位的值进行比较或测试
• 比较指令根据结果更新CPSR中的标志位
• 其它指令根据标志位来改变程序执行的顺序
• 包括比较指令CMP，反值比较指令CMN，位测试指令TST，相等测试TEQ

CMP

CMP {<cont>} Rn, op2

比较指令，将Rn与op2进行比较，实质是做减法运算，Rn - op2，并根据结果更新CPSR中条件标志位的值

CMN

CMN {<cont>} Rn, op2

反值比较指令，将Rn与op2取反后进行比较，实质上，是Rn + op2，并根据结果改变标志位

TST

TST {<cont>} Rn, op2

位测试指令

• 将Rn与op2，按位进行与运算，并根据结果改变标志位
• 该指令通常用于检查是否设置了特定的位
• op2可以看做32位的掩码，需要检查某位，则该位设为1

TEQ

TST {<cont>} Rn, op2

相等测试指令

• 将Rn与op2进行异或运算，并根据结果更新标志位
• 通常用于比较操作数Rn和操作数op2是否相等

乘法指令

• 把一对寄存器的内容相乘，然后根据指令类型把结果累加到其他寄存器
• 乘法与乘加指令共6条，分为32位运算和64位运算
• 64位乘法称为长整形乘法指令，结果存放在2个32位寄存器Rdlo（低32）和Rdhi（高32）
• 指令中的所有源、目的操作数必须是通用寄存器，不能是移位和立即数，Rd和Rm必须是不同寄存器
• 分为32位乘法MUL，32位乘加MLA，64位有符号乘SMULL，64位有符号乘加SMLAL，64位无符号乘法UMULL，64位无符号乘加UMLAL

在使用乘法指令时，应该注意以下事项：

• 操作数必须都是寄存器，但是不能是R15，也就是PC寄存器
• Rd和Rm不能是同一个寄存器
• 64位运算中，有符号运算和无符号运算的低32位是没有区别的
• Rdlo，Rdhi，Rm必须使用不同的寄存器

MUL

MUL {<cont>} {S} Rd, Rm, Rs

32位乘法指令

• 将操作数Rm与Rs的乘积，送到Rd
• Rm * Rs -> Rd
• S选项影响条件标志位N和Z

MLA

MLA {<cont>} {S} Rd, Rm, Rs，Rn

32位乘加指令

• 将操作数Rm与Rs的乘积，加上Rn，送到Rd
• Rm * Rs + Rn -> Rd

SMULL

SMULL {<cont>} {S} Rdlo, Rdhi, Rm，Rs

64位有符号乘法指令

• 将操作数Rm与Rs的乘积，低32位送到Rdlo，高32位送到Rdhi
• Rm * Rs -> Rdhi 和 Rdlo
• 其中操作数Rm和Rs都是32位有符号数

SMLAL

SMLAL {<cont>} {S} Rdlo, Rdhi, Rm，Rs

64位有符号乘加指令

• 将操作数Rm与Rs的乘积，低32位与Rdlo累加后送到Rdlo，高32位与Rdhi累加后送到Rdhi
• Rm * Rs + Rdhi/Rdlo -> Rdhi 和 Rdlo
• 其中操作数Rm和Rs都是32位有符号数

UMULL

UMULL {<cont>} {S} Rdlo, Rdhi, Rm，Rs

64位无符号乘法指令

• 将操作数Rm与Rs的乘积，低32位送到Rdlo，高32位送到Rdhi
• Rm * Rs + Rdhi/Rdlo -> Rdhi 和 Rdlo
• 其中操作数Rm和Rs都是32位无符号数

UMLAL

UMLAL {<cont>} {S} Rdlo, Rdhi, Rm，Rs

64位无符号乘加指令

• 将操作数Rm与Rs的乘积，低32位与Rdlo累加后送到Rdlo，高32位与Rdhi累加后送到Rdhi
• Rm * Rs + Rdhi/Rdlo -> Rdhi 和 Rdlo
• 其中操作数Rm和Rs都是32位无符号数

数据加载与存储指令

ARM处理器是加载/存储体系结构的处理器，对于存储器的访问只能通过加载和存储指令实现

数据加载与存储指令概述

数据加载与存储的方向问题

• 数据加载（load）与存储（store）用于在存储器和处理器之间传递数据
• load用于把内存的数据，装入寄存器
• store用于把寄存器的数据，装入内存
• 有三种类型：单寄存器、多寄存器、交换指令

数据加载与存储指令的寻址

基本格式为：

option {<cont>} Rd，addr

• option为指令代码，如LDR表示将存储器中的数据加载到寄存器
• addr为寄存器地址表达式，可以用基址寄存器+偏移量得到

addr有以下几种形式

• 立即数：一个无符号的数值
• 寄存器：寄存器的值
• 寄存器移位：由通用寄存器和立即数组成，根据立即数移位，生成地址偏移量，再结合基址寄存器，如：

1. LDR R3, [R2, R4, LSL #2]
2. LDR R3, [R2], -R4, LSR #3

• 标号：这是一种简单的寻址方法，PC是隐含的基址寄存器，偏移量是标号所在的地址与PC的差值

地址索引

• ARM指令中的地址索引也是指令的一个功能，索引作为指令的一部分，它影响指令的执行结果
• 地址索引分为前索引（pre-indexed），自动索引（auto-indexed），后索引（post-indexed）

前索引

前索引也称为前变址，这种索引是在指令执行前，把偏移量和基址相加减，得到的值作为寻址的地址，例如

LDR R5, [R6, #0x04]
STR R0, [R5, -R8]

先把R6加上偏移4，再去寻址
先把R5的值，减去R8，再去寻址
索引并不会改变寄存器的值

自动索引

自动索引也称为自动变址，有时为了修改基址寄存器的内容，使之指向数据传送地址，可以用来自动修改基址寄存器

LDR R5, [R6, #0x04]!

在寻址前，先将R6加上偏移4，再去寻址，通过可选后缀“!”，完成基址寄存器的更新

后索引

后索引也称为后变址，就是用基址寄存器的地址寻址，找到操作数后，完成指令要求的操作，最后把偏移量加到基址寄存器中

• LDR R5, [R6], #0x04
  先根据R6寻址，找到操作数后，将地址给R5，再把偏移量加到R6中
• STR R6, [R7], #-0x08
  先将R6的值存到R7指向的地址中，再将偏移加到R7中

单寄存器加载与存储指令

这种指令用于把单一的数据传入或传出一个寄存器

LDR/STR

32位数据的加载/存储指令

各个位的含义：

• cond：指令执行的条件编码
• I P U W：用于区别不同的地址模式（偏移量），I=0时偏移量位12位立即数，I=1时偏移量为寄存器移位，P表示前后索引，U表示加减，W表示回写
• L：L=1表示加载，L=0表示存储
• B：B=1表示字节访问，B=0表示字访问
• Rd：源/目标寄存器
• Rn：基址寄存器
• addr_mode：表示偏移量，是一个12位的无符号二进制数，与Rn一起构成地址addr

使用格式：

LDR/STR {<cont>} {T} Rd, addr

• LDR用于从存储器中，将一个32位的数据加载到目的寄存器Rd中，当PC作为Rd时，实现程序的跳转
• STR用于从源寄存器中，将一个32位的数据存储到寄存器中
• 后缀T可选，如果有T，即使在特权模式下，存储系统也将访问看成用户模式下的，T在用户模式下无效
  addr的表达方式灵活多变，以下举例说明：

//使用标号
LDR R4, START //将存储地址为START的32位数据送入R4
STR R5, DATA1 //将R5的数据存放到地址DATA1中
//前索引
LDR R0, [R1]        //将R1地址指向的值，送入R0
LDR R0, [R1, R2]    //将存储器地址为R1+R2的值，送入R0
LDR R0, [R1, #8]    //将存储器地址为R1+8的值，送入R0
LDR R0, [R1, R2, LSL #2] //将存储器地址为R1+R2<<2的值送入寄存器R0
//自动索引
STR R0, [R1, R2]!   //将R0数据存入寄存器地址为R1+R2的存储单元中，并将新地址R1+R2写入R1
STR R0, [R2, #8]!   //将R0数据存入寄存器地址为R1+8的存储单元中，并将新地址R1+8写入R1
STR R0, [R1, R2, LSL #2]!   //将R0数据存入寄存器地址为R1+R2<<2的存储单元中，并将新地址R1+R2<<2写入R1
//后索引
LDR R0, [R1], #8    //将存储器地址为R1的值送入R0，然后将新地址R1+8写入R1
LDR R0, [R1], R2    //将存储器地址为R1的值送入R0，然后将新地址R1+R2写入R1
LDR R0, [R1], R2, LSL #2    //将存储器地址为R1的值送入R0，然后将新地址R1+R2<<2写入R1

使用时要注意以下事项：

• 立即数的规定：立即数的绝对值不大于4095，可以使用带符号数，范围-4095~4095
• 标号使用的限制：要注意语句标号不能指向程序存储区，而是指向数据存储区
• 地址对齐：使用传送指令时，偏移量必须保证偏移的结果能够使地址对齐
• 移位的使用：使用寄存器移位的方法计算偏移量时，位数不能超过规定的值
  1、ASR 算术左移 1≤n≤32
  2、LSL 逻辑左移 0≤n≤31
  3、LSR 逻辑右移 1≤n≤32
  4、POR 循环右移 1≤n≤31
• 程序计数器PC：R15作为基址寄存器时，不可使用回写，即不能用“!”，另外R15不能作为偏移寄存器使用

LDRB/STRB

字节数据加载/存储指令
使用格式：

LDRB/STRB {<cont>} {T} Rd, addr

• LDRB用于从存储器中，将一个8位的数据加载到目的寄存器Rd中，同时将高24位清零，当PC作为Rd时，实现程序的跳转
• STRB用于从源寄存器中，将一个8位的数据存储到寄存器中，注意是低8位
• 后缀T可选，如果有T，即使在特权模式下，存储系统也将访问看成用户模式下的，T在用户模式下无效
• 即使传送的是8位数据，地址总线仍然以32位的宽度工作，而数据总线也是以32位宽度工作

字节传送和字传送差别很大，下面说明：

• 从寄存器到存储器：寄存器是32位，但是字节传输时，只能将低8位送到存储器，如果想要送其他位，必须通过移位指令
• 从存储器到寄存器：可以选择存储器中任意一个字节，加载到目的寄存器中，传送时，数据总线的高24位填充0

LDRH/STRH

半字数据（16位）加载/存储指令

各个位的含义：

• cond：指令执行的条件编码
• I P U W：用于区别不同的地址模式（偏移量），I=0时偏移量8位立即数，I=1时偏移量为寄存器移位，P表示前后索引，U表示加减，W表示回写
• L：L=1表示加载，L=0表示存储
• S：S=1有符号访问，S=0无符号访问
• H：H=1表示半字访问，H=0表示字节访问
• Rd：源/目标寄存器
• Rn：基址寄存器
• addr_H、addr_L：表示偏移量，I=0时，偏移量为8位立即数，由addr_H和addr_L组成，I=1时，偏移量为寄存器移位addr_H为0，addr_L表示寄存器编号

使用格式：

LDRH/STRH {<cont>} Rd, addr

• LDRH用于从存储器中，将一个16位的数据加载到目的寄存器Rd中，同时将高16位清零，当PC作为Rd时，实现程序的跳转
• STRH用于从源寄存器中，将一个16位的数据存储到寄存器中，注意是低16位

使用半字加载/存储指令需要注意如下事项：

• 必须半字地址对齐
• 对于R15使用需要慎重，R15作为基址寄存器Rn时，不可使用回写功能，不可使用R15作为目的寄存器
• 立即数偏移使用的是8位无符号数
• 不能使用寄存器移位寻址

LDRSB/LDRSH

有符号字节/半字数据加载指令
使用格式：

LDRSB/LDRSH {<cont>} Rd, addr

• LDRSB用于从存储器中，将一个8位的数据加载到目的寄存器Rd中，同时将高24位进行符号位扩展
• LDRSH用于从存储器中，将一个16位的数据加载到目的寄存器Rd中，同时将高16位进行符号位扩展

多寄存器加载与存储指令

• 多寄存器加载/存储指令，也称为批量数据加载/存储指令，可以一次在连续的存储器单元和多个寄存之间传送数据
• 多寄存器加载/存储指令在数据块操作、上下文切换、堆栈操作等方面比单寄存器指令效率更高

LDM/STM

图中各位含义如下：

• cond：指令执行的条件编码
• P U W：用于区别不同的地址模式，P表示前/后变址，U表示加/减，W表示回写
• S ：S=1有符号数访问，S=0无符号数访问
• L：L=1表示加载，L=0表示存储
• Rn：基址寄存器
• regs：表示寄存器列表

使用格式：

LDM/STM {<cont>} {<type>} Rn{!}, <regs>{^}

• LDM指令用于从基址寄存器Rn所指向的连续存储器读取数据，放入寄存器列表regs中，一般用于多个寄存器出栈
• STM指令用于将寄存器列表中多个寄存器的值，存入由基址寄存器所指示的连续存储器中

type表示类型，用于数据存储和读取时有以下几种情况：

• IA：每次传送后地址值加
• IB：每次传送前地址值加
• DA：每次传送后地址值减
• DB：每次传送前地址值减
  用于堆栈操作时有如下情况：
• FD：满递减堆栈
• ED：空递减堆栈
• FA：满递增堆栈
• EA：空递增堆栈

{!}为可选后缀，选用后，当数据加载或存储完毕，将最后的地址写入基址寄存器，基址寄存器不允许R15
{^}为可选后缀，当指令为LDM且寄存器列表含有R15时，还会将SPSR复制到CPSR，同时该后缀还表示传输的是用户模式下的寄存器
LDM/STM指令依据其后参数不同，寻址方式差别很大

堆栈操作

堆栈

• 堆栈就是在RAM存储器中开辟的，一个特定的存储区域，遵循先进后出的原则
• 堆栈栈底固定，栈顶浮动，堆栈指针SP（R13）指向栈顶
• 当32位数据入栈时，SP的值减4

堆栈操作

建栈

建栈就是规定堆栈底部在RAM存储器中的位置，用户可以通过LDR命令设置SP的值

进栈

• ARM体系结构使用多寄存器指令完成堆栈操作
• 出栈LDM，入栈STM
• LDM和STM指令往往结合下面的一些参数实现堆栈的操作

1. FD满递减堆栈
2. ED空递减堆栈
3. FA满递增堆栈
4. EA空递增堆栈

在使用堆栈时，需要确定它是向上生长（递增ascending），还是向下生长（递减descending）
满堆栈（full stack）：指堆栈指针SP（R13）指向堆栈的最后一个数据项的地址
空堆栈（empty stack）：指SP指向堆栈的第一个没有使用的地址

ARM制定了一个标准：ARM-Thumb过程调用标准（ATPCS），定义了例程如何被调用，寄存器如何分配
其中，堆栈被定义为满递减堆栈，因此ARM汇编中，堆栈的操作是LDMFD和STMFD

出栈

POP操作出栈，ARM中使用LDMFD实现出栈操作

交换指令

数据交换指令能在存储器和寄存器之间交换数据，它是加载与存储指令的特例，交换是原子操作

• cond：指令执行的条件编码
• B：B=0字交换，B=1字节交换
• Rn：基址寄存器
• Rd：目的寄存器
• Rm：源寄存器

SWP

SWP {<cont>} <Rd>, <Rm>, [<Rn>]

• SWP指令用于将寄存器Rn所指向的寄存器中的字数据，加载到目的寄存器Rd中，同时将源寄存器Rm中的字数据，保存到该存储器的位置
• 当Rd与Rm相同时，即完成交换

SWPB

SWPB {<cont>} <Rd>, <Rm>, [<Rn>]

• SWPB指令用于将寄存器Rn所指向的寄存器中的字节数据，加载到目的寄存器Rd中，同时Rd高24位清零，同时将源寄存器Rm中的字节数据，保存到该存储器的位置
• 当Rd与Rm相同时，即完成交换

使用SWP和SWPB时需要注意：

• PC不能作为其中的任何寄存器
• 基址寄存器Rn不应该与源寄存器Rm和目的寄存器Rd相同，但是Rm和Rd可以相同
• 寄存器位置不可以为空，必须满足3个寄存器

分支指令

• 分支指令用于实现程序流程的跳转，这类指令可以用来改变程序的执行流程，或者调用子程序
• 程序流程跳转的两种办法：一是使用分支指令，二是直接往PC寄存器写地址值
  

分支指令B

机器编码格式如图

• cond：表示指令执行的条件
• L：L=1带返回的分支，L=0普通分支
• Label：表示偏移量，是一个24位有符号立即数

B {<cond>} label

B指令是最简单的分支指令，直接跳转到label地址执行，即PC=lablel
label是一个偏移量，不是绝对地址，它的值由汇编器自动计算

带返回的分支指令BL

BL {<cond>} label

• BL指令在跳转前，将当前PC内容保存到R14（LR）中，因此，可以将R14内容恢复到PC中，跳转到之前的位置继续执行
• 该指令用于实现子程序的调用

带状态切换的分支指令BX

• cond：指令执行的条件
• op：op=0是BX指令，op=1是BLX指令

BX {<cond>} Rm

• BX指令跳转到所指定的目标地址，并实现状态的切换，Rm是一个表达目标地址的寄存器
• 当Rm最低位为1时，强制程序从ARM指令状态，转换到Thumb指令状态
• 当Rm最低位为0时，强制程序从Thumb指令状态，转换到ARM指令状态

带返回和状态切换的分支指令BLX

BLX {<cond>} label | Rm

• BLX指令跳转到指定的目标地址，并实现状态切换，同时将PC保存到R14
• 其目标地址可以是一个符号地址，或者是一个寄存器Rm
• 当子程序使用Thumb指令集，调用者使用ARM指令集，可以通过BLX指令实现子程序调用与状态切换
• 子程序的返回可以将R14复制到PC中

程序状态寄存器访问指令

ARM微处理器中的程序状态寄存器不属于通用寄存器，ARM专门用它设立了两条访问指令，用于在程序状态寄存器和通用寄存器之间传输数据

MRS

• cond：指令执行的条件
• R：用来区别CPSR（R=0）和SPSR（R=1）
• Rd：表示目的寄存器，Rd不允许为R15

MRS {<cond>} <Rd>, <CPSR | SPSR>

• MRS指令用于将程序状态寄存器的内容，传送到通用寄存器中
• 该指令通常在以下情况使用：

1. 异常处理、进程切换时，需要保存状态寄存器的值
2. 需要改变程序状态寄存器的值时，可以先读出，修改后再写回

MSR

• cond：指令执行的条件
• R：用来区别CPSR（R=0）和SPSR（R=1）
• Field_mask：域屏蔽
• immed：8位立即数
• Rm：操作数寄存器

MSR {<cond>} <CPSR | SPSR>_<fields>,<Rm\ #immed >

• MSR指令用于将操作数的内容，传送到程序状态寄存器的特定域中
• 状态寄存器是指CPSR或SPSR，一般是当前工作模式下的状态寄存器
• 操作数可以是通用寄存器Rm或立即数 #immed
• 域用于设置程序状态寄存器中需要操作的位，32位的程序状态寄存器分为4个域

位[31:24]：条件标志位域，用f表示
位[24:16]：状态位域，用s表示
位[16:8]：扩展位域，用x表示
位[8:0]：控制位域，用c表示

位域的表示方法：CPSR或SPSR后，使用下划线，位域必须小写，可随意组合，使用注意：

• 只有特权模式下，才可以改变处理器模式和设置中断
• 程序状态寄存器中的T位用于指示ARM状态和Thumb状态，但程序不能修改T位实现转换，任何时候不可修改T位
• 不可以使用R15作为目标寄存器

协处理器指令

• ARM微处理器可支持16个协处理器，用于各种协处理操作
• 在程序执行的过程中，协处理器只执行针对自身的协处理指令，忽略ARM处理器和其它处理器的指令
  

CDP协处理器数据处理指令

• cond：指令执行的条件
• opcode1/opcode2：协处理器将执行的操作
• CRm/CRn：存放操作数的协处理器寄存器
• CRd：作为目的寄存器的协处理器寄存器
• p：协处理器编号，0≤p≤15

CDP {<cond>} <p>, opcode1, CRd, CRm, CRn {, opcode2}

• ARM处理器通过CDP指令通知ARM协处理器p，要求其在寄存器CRn和CRm上进行操作op1，并把结果放在CRd中，可以使用op2提供有关的补充信息
• 若完成不了，则产生未定义指令异常
• 指令中的所有寄存器均为协处理器寄存器，操作由协处理器完成，指令不涉及ARM处理器的寄存器和存储器

LDC协处理器数据加载指令

• cond：指令执行的条件
• P U W：用于区别不同的地址模式
• N：数据的大小（依赖于协处理器）
• Op：用于区别LDC指令（op=1）还是STC指令（op=0）
• Rn：ARM处理器中作为基地址的寄存器
• CRd：作为目的寄存器的协处理器寄存器
• P：协处理器编号，0≤p≤15

LDC {<cond>} {L} <p>, <CRd>, <addr>

• LDC指令将addr所表示的存储器中的字数据，传送到目的寄存器CRd中
• 若协处理器不能完成传送操作，则产生未定义指令异常
• {L} 选项表示指令为长读取操作，例如用于双精度的传输
• addr为存储器的地址表达式，可表示为[Rn，offset]，其中Rn表示基址寄存器，是ARM中的寄存器，offset表示偏移量，是8位无符号数，addr有如下几种表达式：

1. 偏移offset为0，如[R6]
2. 前索引立即数偏移，[R0, #0x04]
3. 后索引立即数偏移，[R4]，#0x08

STC协处理器数据存储指令

STC {<cond>} {L} <p>, <CRd>, <addr>

STC指令用于将寄存器CRd的字数据，传送到addr表示的存储器中

MCR ARM处理器寄存器到协处理器存储器的数据传送指令

• cond：指令执行的条件
• op1，op2：协处理器将执行的操作
• op：op=0表示MCR指令，op=1表示MRC指令
• CRm、CRn：存放操作数的协处理器寄存器
• Rd：ARM处理器中作为源或目的的寄存器
• P：协处理器编号，0≤p≤15

MCR {<cond>} <p>, op1, Rd, CRm, CRn{, op2}

• 指令用于将ARM寄存器Rd中的数据传送到协处理器CRm、CRn中
• op1和op2是协处理器将要执行的操作
• Rd为源寄存器，是ARM的寄存器，CRm、CRn是目的寄存器，是协处理器的寄存器

MRC 协处理器寄存器到ARN处理器寄存器的数据传送指令

MRC {<cond>} <p>, op1, Rd, CRm, CRn{, op2}

• MRC指令用于将协处理器中的数据传送到ARM处理器寄存器中
• op1和op2是协处理器将要执行的操作
• Rd为源寄存器，是ARM的寄存器，CRm、CRn是目的寄存器，是协处理器的寄存器

软件中断指令

• ARM指令集中的软件中断指令是唯一一条不适用寄存器的ARM指令，也是一条可以条件执行的指令
• ARM指令在用户模式下局限很大，访问一些特殊资源时，使用软件控制的唯一可行办法就是使用SWI（software interrupt）

SWI软件中断指令

• cond：指令执行的条件
• swi_num：24位立即数，表示调用类型

SWI {<cond>} SWI_number

• SWI指令用于产生软件中断，以便用户程序能够调用操作系统的例程
• 软件中断进入的是管理模式，中断后会改变程序状态寄存器中的相关位

SWI的调用

从用户模式切换到管理模式时，ARM硬件实现以下操作：

• 把中断处的地址值（PC-4）复制到R14，保留中断的地址
• 把CPSR复制到SWI模式的SPSR，保存状态寄存器的值
• 把状态寄存器的模式改为管理模式
• 把中断向量0x00000008赋值给PC
• 禁止IRQ中断，使CPSR[7] = 1

中断时，一般有两种方法进行功能号的传递：

• 把准备传递的参数通过寄存器进行传递：对R0赋值，SWI参数为0
• 用SWI指令传递中断号：SWI带不为0的参数

ARM伪指令

ARM伪指令不是ARM指令集中的指令，只是为了方便编程而定义的，伪指令可以像其他ARM指令一样使用，但是在编译时，将被等效替代

ADR小范围的地址读取伪指令

ADR {cond} Rm, addr

• 将基于PC相对的地址值或基于寄存器相对便宜的地址值读取到寄存中
• 编译时ADR被替换为合适的指令，如果不能替换，则编译失败
• Rm表示要加载的目的寄存器
• addr为地址表达式，当地址值是非字对齐时，取值范围-255 ~ 255字节之间，当地址值字对齐时，取值范围-1020 ~ 1020 字节之间，对于基于PC相对偏移的地址值时，给定范围是相对当前指令地址后两个字处

ADRL中等范围的地址读取伪指令

ADRL {cond} Rm, addr

• ADRL相对于ADR可以读取跟大范围的地址
• 当地址值是非字对齐时，取值范围-64 ~64KB之间，当地址值字对齐时，取值范围-256 ~ 256KB之间

LDR大范围的地址读取伪指令

LDR {cond} Rm, =addr

• 用于加载32位立即数或一个地址值到指定寄存器
• 与ARM指令相比，伪指令LDR的参数有“=”

NOP空操作伪指令

NOP

编译时替换为空操作，比如MOV R0, R0，一般用于延时

Thumb指令集

概述

• 为兼容数据总线宽度为16位的应用系统，ARM体系结构除了支持效率很高的32位ARM指令集外，同时支持16位的Thumb指令集
• 它是ARM指令集的子集，允许编码长度为16位，多用于存储器受限的系统中
  

Thumb指令寄存器的使用

• 在Thumb状态下，不能直接访问所有的寄存器，只有寄存器R0_{R7是可以被任意访问的，寄存器R8}R12只能通过MOV ADD CMP等指令访问
• CMP指令和所有操作R0~R7的数据处理指令都会影响CPSR中的条件标志
• 没有与MSR MRS等价的Thumb的指令
• 为了改变CPSR和SPSR，只能切换到ARM状态

ARM-Thumb交互

• ARM-Thumb交互是指对汇编语言和c/c++语言中的ARM和Thumb代码进行连接的办法
• 它进行两种状态（ARM Thumb）的切换
• 在进行切换时，有时要使用额外的代码，这些代码称为胶合（veneer）

数据处理指令

数据处理指令可以操作寄存器中的数据

单寄存器加载和存储指令

Thumb指令集支持寄存器的加载和存储

多寄存器加载和存储指令

Thumb指令集的多寄存器加载和存储指令，是ARM指令集的多寄存器加载和存储指令的简化形式

堆栈指令

Thumb的堆栈操作与等效的ARM指令不同，因为它们使用更传统的POP和PUSH

软件中断指令

与ARM指令集中软件中断类似，Thumb软中断指令SWI也产生中断异常

Thumb伪指令

Thumb伪指令不是Thumb指令集中的指令，类似于ARM伪指令

ADR小范围地址读取

ADR Rm, addr

地址偏移量必须是正数，且小于1kb

LDR大范围地址读取

LDR Rm, =addr

用于加载32位立即数或一个地址值到指定寄存器

NOP空操作

一般用于延时操作