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5. ARM_指令集

article 2024/11/19 8:23:53

概述

立即数

什么是立即数：

立即数就是能够写在指令后面的数，例如 " MOV R0 #1 " 这个#1当中的数就是立即数。

立即数的本质就是包含在指令当中的数，属于指令的一部分。

注意：立即数不能写到32位，因为汇编指令转为机器码后是32位，这32位中有几位用来表示指令含义和寄存器含义，因此数据位并没有32位。

立即数与变量的区别：

立即数是指令的一部分，在使用立即数赋值时，CPU直接从机器码中就可以获取数据，不需要从内存中读取相应的值。

变量是存放在内存中，通过变量赋值，CPU必须先从内存中取出，再进行赋值。

32位非立即数却可赋值的情况：

当我们使用MOV R0, #0xFFFFFFFF这个指令时，0xFFFFFFFF是一个32位的数，一定不是一个立即数，但最终编译未出错。具体的编译器处理结果如下：

在这里，编译器将MOV R0, #0xFFFFFFFF 替换成了 MVN R0,#00000000，这个MVN的指令就是CPU可以识别执行的指令，原先的MOV就被称作伪指令。

条件码

条件码就是一个条件，当条件满足时执行这个操作，条件不满足时不执行该操作。

大多数的指令后都可以添加条件，具体示例见"跳转指令" - "2、B"

在使用条件码时，需要先使用CMP进行比较，之后再使用条件码进行条件执行。

条件码如下：

数据处理指令

1、数据搬移指令

1.1 MOV

将指定的数据搬移(赋值)到指定的寄存器中。

格式：

MOV 目标寄存器, 源操作数

目标寄存器：可以为通用寄存器R0~R12，也可以是PC

源操作数：可以是立即数，也可以是寄存器

示例：

将立即数3搬移到寄存器R1，即：令R1=3

MOV R1, #3     @ #3代表十进制的3,#0x3代表十六进制的3

将R2寄存器的值搬移到寄存器R1，即：令R1=R2

MOV R1, R2

1.2 MVN

将指定的数据按位取反后，搬移(赋值)到指定的寄存器中。

格式：

MVN 目标寄存器, 源操作数

示例：

将立即数0xFF取反后的值搬移到寄存器R1，即：令R1 = ~0xFF。

注意：这时R1存放的值为0xFFFFFF00，而不是0，因为ARM的寄存器是32位，所以在ARM寄存器中0xFF的存放值是0x000000FF，因此按位取反后为0xFFFFFF00，而不是0。

MVN R1 #0xFF

2、数值运算指令

一般格式：<操作码> <目标寄存器> <第一操作寄存器> <第二操作数>

操作码：执行什么操作，如加减乘除
目标寄存器：用于存放运算结果
第一操作寄存器：必须是一个寄存器，是参与运算的数。
第二操作数：可以是寄存器，也可以是立即数，这也是参与运算的数。

2.1 ADD

加法指令，将指定的两个数进行相加，结果存入指定的寄存器。

格式：

ADD 目标寄存器, 源寄存器, 源操作数

目标寄存器：可以为通用寄存器R0~R12，也可以是PC

源寄存器：只能是寄存器

源操作数：可以是立即数，也可以是寄存器

示例：

已知R2=5，R3=3，实现R1=R2+R3

MOV R2,#5
MOV R3,#3
ADD R1,R2,R3 @ R1 = R2 + R3

已知R2=5，实现R1=R2+5

MOV R2,#5
ADD R1,R2,#5 @ R1 = R2 + 5
注意:这里不能写成ADD R1,#5,R2 对应ADD只有最后一个为源操作数

2.2 ADC

带进位的加法指令，将指定的两个数进行相加，并且会加上CPSR的进位。

ADC实现64位运算：

实现：

0x00000001 00000002 + 0x00000003 00000004

思路：

将第一个数的低位和高位分别存放在R1、R2；将第二个数的低位和高位分别存放在R3、R4；将结果的低位和高位分别存放在R5、R6

运算代码：

MOV R1,0x00000002
MOV R2,0x00000001
MOV R3,0x00000004
MOV R4,0x00000003

ADDS R5,R1,R3 @将两个低位相加并允许设置CPSR
ADC R6,R2,R4  @将两个高位相加并加上CPSR的C位(溢出进位)

ADCS实现128位运算：

实现：

0x00000001 00000002 00000003 00000004 + 0x00000005 00000006 00000007 00000008

运算代码：

MOV R1,0x00000004
MOV R2,0x00000003
MOV R3,0x00000002
MOV R4,0x00000001

MOV R5,0x00000008
MOV R6,0x00000007
MOV R7,0x00000006
MOV R8,0x00000005

ADDS R9,R1,R5     @将两个低位相加并允许设置CPSR
ADCS R10,R2,R6    @将两个高位相加并加上CPSR的C位(溢出进位)并允许设置CPSR
ADCS R11,R3,R7    @将两个高位相加并加上CPSR的C位(溢出进位)并允许设置CPSR
ADC  R12,R4,R8    @将两个高位相加并加上CPSR的C位(溢出进位)

2.3 SUB

减法指令，将指定的两个数进行相减，结果存入指定的寄存器。

该指令只能实现 "寄存器 - 寄存器" 或者 "寄存器 - 立即数" 但实现不了 "立即数 - 寄存器"

格式：

SUB 目标寄存器, 源寄存器, 源操作数

目标寄存器：可以为通用寄存器R0~R12，也可以是PC

源寄存器：只能是寄存器

源操作数：可以是立即数，也可以是寄存器

注意：SUB减法中有顺序，源寄存器存放的是被减数，源操作数存放的是减数。

示例：

已知R2=5，R3=3，实现R1=R2-R3

MOV R2,#5
MOV R3,#3
SUB R1,R2,R3 @ R1 = R2 - R3

已知R2=5，实现R1=R2-5

MOV R2,#5
SUB R1,R2,#5 @ R1 = R2 - 5
注意:这里不能写成SUB R1,#5,R2 对应SUB只有最后一个为源操作数

2.4 SBC

带借位的减法指令，将指定的两个数进行相减，并且会减去CPSR的借位(C位取反)。

SBC实现64位运算：

实现：

0x00000002 00000001 - 0x00000001 00000002

运算代码：

MOV R1,0x00000001
MOV R2,0x00000002
MOV R3,0x00000002
MOV R4,0x00000001

SUBS R5,R1,R4 @将两个低位相减并允许设置CPSR
SBC R6,R2,R5  @将两个高位相减并减去CPSR的C位取反(借位)

2.5 RSB

逆向减法指令，将指定的两个数进行相减，结果存入指定的寄存器。

该指令通过被减数与减数调换，解决了SUB不能实现"立即数 - 寄存器"的问题。

格式：

RSB 目标寄存器, 源寄存器, 源操作数

目标寄存器：可以为通用寄存器R0~R12，也可以是PC

源寄存器：只能是寄存器

源操作数：可以是立即数，也可以是寄存器

注意：RSB减法中有顺序，源寄存器存放的是减数，源操作数存放的是被减数。这与SUB相反。

示例：

实现R1 = 3 - R2。

RSB R1,R2,#3     @ R1 = 3 - R2

2.6 MUL

乘法指令，将指定的两个数进行相乘，结果存入指定的寄存器。

格式：

MUL 目标寄存器, 源寄存器, 源寄存器

目标寄存器：可以为通用寄存器R0~R12，也可以是PC

源寄存器：只能是寄存器

注意：乘法指令中只能是两个寄存器相乘，不能使用立即数。

示例：

实现R1 = R2 * R3。

MUL R1,R2,R3     @ R1 = R2 * R3

3、位运算指令

3.1 AND

按位与指令，将指定的两个数进行按位与，结果存入指定的寄存器。

格式：

AND 目标寄存器, 源寄存器, 源操作数

目标寄存器：可以为通用寄存器R0~R12，也可以是PC

源寄存器：只能是寄存器

源操作数：可以是立即数，也可以是寄存器

示例：

实现R1 = R2 & R3。

AND R1,R2,R3     @R1 = R2 & R3

3.2 ORR

按位或指令，将指定的两个数进行按位或，结果存入指定的寄存器。

格式：

ORR 目标寄存器, 源寄存器, 源操作数

目标寄存器：可以为通用寄存器R0~R12，也可以是PC

源寄存器：只能是寄存器

源操作数：可以是立即数，也可以是寄存器

示例：

实现R1 = R2 | R3。

ORR R1,R2,R3     @R1 = R2 | R3

3.3 EOR

按位异或指令，将指定的两个数进行按位异或，结果存入指定的寄存器。

格式：

EOR 目标寄存器, 源寄存器, 源操作数

目标寄存器：可以为通用寄存器R0~R12，也可以是PC

源寄存器：只能是寄存器

源操作数：可以是立即数，也可以是寄存器

示例：

实现R1 = R2 ^ R3。

EOR R1,R2,R3     @R1 = R2 ^ R3

3.4 LSL

左移指令，将指定的数左移指定的位，结果存入指定的寄存器。

格式：

LSL 目标寄存器, 源寄存器, 源操作数

目标寄存器：可以为通用寄存器R0~R12，也可以是PC

源寄存器：只能是寄存器

源操作数：可以是立即数，也可以是寄存器

示例：

实现R1 = R2 << 3

方式1:寄存器法
MOV R3,#3
LSL R1,R2,R3 @R1 = R2 << 3

方式2:立即数法
LSL R1,R2,#3 @R1 = R2 << 3

3.4 LSR

右移指令，将指定的数右移指定的位，结果存入指定的寄存器。

格式：

LSR 目标寄存器, 源寄存器, 源操作数

目标寄存器：可以为通用寄存器R0~R12，也可以是PC

源寄存器：只能是寄存器

源操作数：可以是立即数，也可以是寄存器

示例：

实现R1 = R2 >> 3

方式1:寄存器法
MOV R3,#3
LSR R1,R2,R3 @R1 = R2 >> 3

方式2:立即数法
LSR R1,R2,#3 @R1 = R2 >> 3

3.5 BIC

位清零指令，将指定的位进行清零，结果存入指定的寄存器。

格式：

BIC 目标寄存器, 源寄存器, 源操作数

目标寄存器：可以为通用寄存器R0~R12，也可以是PC

源寄存器：只能是寄存器

源操作数：可以是立即数，也可以是寄存器

注意：清零源操作数为1的位数，为0的位数不进行操作。但源寄存器的数值不进行改变

示例：

已知R2=0xFF，实现将R2低四位清零，并把结果写入到R1中，并且R2值不进行改变。

MOV R2,#0xFF
BIC R1,R2,#0x0F @0x0F的低四位为1,所以R2的低4位被清零,结果存入到R1
                @运算之后R1=0xF0,R2=0xFF(值不改变)

4、其他

4.1 格式扩展

格式扩展示例：

MOV R3, R0, LSL #3 ; 将R0的值左移3位后存入R3

格式扩展指令的看法：

首先这里面有MOV、LSR这两个指令，最前面的MOV是操作码，所以这个整体指令的功能是数据搬移功能，因此R0为第一操作数，LSL #3为第二操作数。

这里的LSL #3并不是一个指令，含义是左移3，操作的数据源就是前面的R0，返回的结果存放在前面的R3。因此最终功能是将R0的值左移3位后存入R3。

4.2 运算影响CPSR

指令后加S影响CPSR：

默认情况下，数据运算不会对CPSR的条件位产生影响。当指令加上后缀 "S" 后，即可影响CPSR

MOV R1,#3
SUB R2,R1,#5   @这计算是一个负数，但没有加S后缀，所以CPSR的N位不置1

MOV R1,#3
SUBS R2,R1,#5  @这计算是一个负数，加了S后缀，所以CPSR的N位置1

跳转指令

1、CMP指令

比较指令，比较两个寄存器值中的关系，比较的结果存储再CPSR的NZCV中。

CMP的本质就是一条减法指令(SUBS)，只是没有将运算结果存入寄存器。

格式：

CMP 源寄存器1 源寄存器2

当源寄存器1 == 源寄存器2时，CPSR中的 Z = 1。

当源寄存器1 != 源寄存器2时，CPSR中的 Z = 0。

当源寄存器1 < 源寄存器2时，CPSR中的 C = 0。

当源寄存器1 <= 源寄存器2时，CPSR中的 C = 0 或者 Z = 1。

当源寄存器1 > 源寄存器2时，CPSR中的 C = 1 且 Z = 0(相等时也不产生借位)。

当源寄存器1 >= 源寄存器2时，CPSR中的 C = 1。

示例：

实现1~100求和，结果存入R2。

2、B

跳转到指定的位置。跳转指令的本质就是修改PC指向。

注意：默认情况下LR不会自动保存下一条指令的地址，加上后缀 "L" 可以允许LR保存下一条指令的地址。

B称为不带返回的跳转指令，BL称为带返回的跳转指令。

格式：

B 条件码 标签

条件码可以不写，当不写时为无条件跳转，当写时为有条件跳转。条件码如下：

示例：

1、无返回跳转到FUNC标号下的第一条指令位置。

当执行 " B FUNC " 之后，PC将指向 "MOV R6,#6" 并在下一次执行该指令。

2、有返回跳转到FUNC标号下的第一条指令位置，执行之后再返回。

当执行 " BL FUNC " 之后，PC将指向 "MOV R6,#6" 并且 LR存储了 "MOV R4,#4"的位置。

当执行 " MOV PC,LR "之后，PC将指向 "MOV R4,#4" 实现了返回。

3、条件跳转，当R1=R2时，跳转到FUNC

当指向 "BEQ FUNC" 后，因为R1==R2不成立，所以不跳转，继续执行 "MOV R3,#3" 指令

4、跳转到自身

指令 "B ." 代表跳转到自身。

比如 "B ." 存在0x00000004处，执行完该指令后PC依旧指向0x00000004

Load/Store指令

1、单寄存器内存访问

1.1 STR

将指定寄存器中的数据存储到指定的内存地址中。

指令与存放数据的字节数：

STR -- 4字节
STRH -- 2字节
STRB -- 1字节

格式：

STR 源寄存器 [目标寄存器]

目标寄存器中存放内存的地址

注意：源寄存器中数据为多少字节，那么目标寄存器存放的地址就得为多少的整数倍。

示例：

将R1的数据写入到R2存放的地址的位置。

这里R2存放的0x40000000为内存，这是因为地址映射时规定了这个地址是内存的起始地址。

这里R1的数据为0xFF000000是4字节，因此R2存放的地址应该为4的整数倍，所以如果R2的值为0x40000001，这就是错误的地址。

1.2 LDR

将指定的内存地址中的数据读取到指定寄存器中。

指令与取出数据的字节数：

LDR -- 4字节
LDRH -- 2字节
LDRB -- 1字节

格式：

LDR 目标寄存器 [源寄存器]

源寄存器存放的是所需取数据的数据地址。

示例：

将R2中存放的地址的数据读出来，存放到R3当中。

该代码运行结束后，R3就存放了0xFF000000

2、多寄存器内存访问

2.1 STM

将多个寄存器中的数据存储到指定的内存地址中。

格式：

STM 目标地址 {源寄存器}

源寄存器：当寄存器连续时，使用 "-"链接；当寄存器不连续时，使用 ","分隔。

如 "STM R11,{R1-R4}" 这操作的时R1、R2、R3、R4

如 "STM R11,{R1,R4}" 这操作的时R1、R4

示例：

将R1~R4寄存器的值存放到以某个地址为起点的地址空间

这里的R11没有加 "[ ]"，但它的数据含义代表地址

列表顺序并不是真正的存储顺序，存储顺序一定是小编号的寄存器存低地址数据。

如上述STM指令写成 "STM R11,{R1,R4,R2,R3}"，存储顺序依旧是和 "STM R11,{R1-R4}"一致，而不是0x40000020存放R1，0x40000024存放R4....

2.2 LDM

将指定的内存地址中的数据读取到多个寄存器中。

格式：

LDM 读取起始地址 {目标寄存器}

目标寄存器：当寄存器连续时，使用 "-"链接；当寄存器不连续时，使用 ","分隔。

如 "LDM R11,{R6-R9}" 这操作的时R6、R7、R8、R9

如 "LDM R11,{R6,R9}" 这操作的时R6、R9

示例：

将某个地址为起点的地址空间的数据读取到R6~R9寄存器中

这里的R11没有加 "[ ]"，但它的数据含义代表地址

列表顺序并不是真正的存储顺序，存储顺序一定是小编号的寄存器存低地址数据。

如上述LDR指令写成 "LDR R11,{R6,R9,R7,R8}"，存储顺序依旧是和 "LDR R11,{R6-R9}"一致。

状态寄存器传送指令

该指令常用于操作系统内部，比如刚上电时，初始化系统时使用该指令。

1、MRS

将CPSR的值读取到指定寄存器

格式：

MRS 目标寄存器 CPSR

示例：

2、MSR

将指定数据写入到CPSR中

注意：特权模式下可以只写改变CPSR的值，User模式下不能直接改变CPSR的值。

格式：

MSR CPSR 源操作数

示例：

软中断指令

1、SWI

该指令常用于操作系统内部，比如在User模式下调用系统调用时，Linux就会写一个SWI的指令将User模式转换成SVC模式，从而有足够的权限处理硬件。这个过程其实就是使用SWI指令将用户态切换到内核态。

格式：

SWI #参数

参数：这个值用于区分不同的硬件。用户态切换到内核态都是调用SWI来实现，但究竟调用哪一个硬件CPU并不清楚，此时CPU就需要该参数来得知调用哪一个硬件。

2、模拟实现软中断处理过程

流程描述：

当程序复位，PC指向0x00处，0x00处存放了异常向量表Reset，跳转到MAIN函数。
执行MAIN函数到SWI语句，产生了软中断异常。软中断异常是由SVC模式进行处理，所以CPU自动拷贝CPSR到SPSR_svc中，并且修改CPSR、保存返回地址到LR_svc，最后将PC指向异常向量表对应位置。对于软中断，对应地址为0x80，因此PC跳转到0x80。
PC到达0x80后执行跳转指令，跳转到中断处理函数。
中断处理函数也是一个函数，因此需要先入栈保存现场，之后进行相关的操作，最后出栈恢复现场。在出栈时，加上 "^" 符号可以自动将SPSR_svc的数据拷贝到CPSR恢复现场，同时出栈数据可以直接写到PC中，一步实现出栈、恢复现场、跳转。

实验代码如下：

.text
.global _start
_start:

	@异常向量表
	B MAIN				@Reset 			0x00
	B .					@Undef			0x04
	B SWI_Handler		@SWI			0x08
	B .					@Prefetch Abort	0x0C
	B .					@Data Abort		0x10
	B .					@Reserved		0x14
	B .					@IRQ			0x18
	B . 				@FIQ			0x20

	@MAIN中实现R3=R1+R2,并调用一次SWI
MAIN:
	MOV SP,#0x40000020 	@初始化SP,这里是SVC模式下的SP
	MSR CPSR,#0x10	  	@将模式改为User模式,IRQ/FIQ使能
	MOV R1,#1
	MOV R2,#2
	SWI #1				@调用SWI,#1用于区分硬件
	ADD R3,R1,R2
	B STOP

	@SWI_Handler是SWI的中断处理函数,这里也实现R3=R1+R2的功能
SWI_Handler:
	STMFD SP!,{R1,R2,LR}		@入栈保护现场
	MOV R1,#20
	MOV R2,#30
	ADD R3,R1,R2
	LDMFD SP!,{R1,R2,PC}^	@将LR的数据出栈到PC,并把SPSR的值拷贝到CPSR(^的作用)

STOP:
	B STOP

.end

协处理器指令

协处理器指令的分类可以分为：

数据运算指令CDP
存储器访问指令STC、LDC
寄存器传送指令MRC、MCR，用于在协处理器和ARM处理器中的寄存器进行数据交互。

伪指令

1、NOP

NOP是让程序什么都不干，暂停一个机器周期。最终编译之后NOP会被编译成MOV R0,R0

2、LDR

LDR的格式不同，含义也不同。当为 "LDR R1,[R2]" 这种格式时，LDR是一个指令；伪指令的情况有以下情况：

1、赋值任意32位数

当为 "LDR R1,=0x12345678" 这种格式时，LDR是一个伪指令，代表R1=0x12345678。该伪指令可以将任意32位数搬移到寄存器。LDR R1,=0x12345678的转换过程如下：

0x12345678将作为一个不被执行的机器码存放到内存中，这条机器码被存放在全部有效指令之后，在下图中存放在0x58处，因为0x54是最后一条有效指令。
LDR的指令将被译码为 "LDR R1,[PC,#偏移值]" 这种格式，在下图中指令被存放在0x30，因为三级流水线的原因，此时PC=0x30+8，因此偏移值 = 0x20。
最终拿到的值是0x58地址当中的数据，就是0x12345678，实现了任意32位数据的赋值。

2、通过标号将地址写入寄存器

当为 "LDR R1,=STOP" 这种格式时，LDR是一个伪指令，代表将STOP标号的地址值存入R1中。

编译后的指令同样是转换成PC加偏移量模式，PC偏移量计算与LDR R1,=0x12345678这种计算方法一样。

3、通过标号将地址当中的值写入寄存器

当为 "LDR R1,STOP" 这种格式时，LDR是一个伪指令，代表将STOP标号的地址当中的值存入R1中。

编译后的指令同样是转换成PC加偏移量模式，PC偏移量计算与LDR R1,=0x12345678这种计算方法一样。

伪操作

伪操作通常以 "." 开头。

1、全局/局部声明

格式：

.global <符号名> 

.local <符号名>

作用：

将符号声明为全局/局部。

当声明为全局时，所有.s都能访问；当声明为局部时，只有当前.s能访问。

2、宏

格式：

.equ <宏名>,值

作用：

与C语言的#define一样，原值替代。

3、语句封装

格式：

.macro <符号>

@汇编语句

.endm

作用：

类似函数，函数名就是.macro后面跟的符号

4、条件编译

格式：

.if

@汇编语句

.endif

作用：

类似#if #endif，条件满足时才进行编译。

5、重复编译

格式：

.rept <次数>

@汇编语句

.endr

作用：

将区域中的汇编语句重复编译指定次数。

6、弱化符号

格式：

.weak <符号>

作用：

弱化指定的符号，当使用到该符号但未定义该符号时，编译器依旧不报错。

当弱化了符号，并且符号未定义时，编译器会将调用该符号的指令变为NOP，即：一个空操作。

7、申请空间

格式：

.word <初始化值>         @32位,一个字

.byte <初始化值>         @8位,一个字节
.align <以多少字节对齐>  @写3，代表以2^3对齐

.space <申请字节数> <初始化值> @申请指定字节存放数据

.word作用：

在当前指令的地址位置申请空间，并初始化。

.byte作用：

注意：.byte申请空间后，需要再申请冗余空间来进行地址对齐。

.space作用：

注意：.space申请空间后，不一定需要.align来对齐，比如上述是12给字节空间，申请之后地址就是对齐的。

8、标注

格式：

.arm             @告诉编译器这之后是arm指令
@ARM汇编指令

.thumb           @告诉编译器这之后是thumb指令
@Thumb汇编指令    

.text            @告诉编译器这之后是代码段

.end             @告诉编译器汇编代码已结束

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