第3章ARM指令集

在嵌入式系统开发中，目前最常用的编程语言是汇编语言和C语言。在较复杂的嵌入式软件中，由于C语言编写程序较方便，结构清晰，而且有大量支持库，所以大部分代码采用C语言编写，特别是基于操作系统的应用程序设计。但是在系统初始化、BootLoader、中断处理等，对时间和效率要求较严格的地方仍旧要使用汇编语言来编写相应代码块。本章将介绍ARM指令集指令及汇编语言的相关知识。3.1ARM指令集概述ARM处理器的指令集主要有： ARM指令集，是ARM处理器的原生32位指令集，所有指令长度都是32位，以字对齐(4字节边界对齐)方式存储； 该指令集效率高，但是代码密度较低。 Thumb指令集是16位指令集，2字节边界对齐，是ARM指令集的子集； 在具有较高代码密度的同时，仍然保持ARM的大多数性能优势。 Thumb2指令集是对Thumb指令集的扩展，提供了几乎与ARM指令集相同的功能，同时具有16位和32位指令，既继承了Thumb指令集的高代码密度，又能实现ARM指令集的高性能； 2字节边界对齐，16位和32位指令可自由混合。 Thumb2EE指令集是Thumb2指令集的一个变体，用于动态产生的代码； 不能与ARM指令集和Thumb指令集交织在一起。除了上面介绍的指令集外，ARM处理器还有针对协处理器的扩展指令集，如普通协处理器指令、NEON和VFP扩展指令集、无线MMX技术扩展指令集等。3.1.1指令格式ARM指令集的指令基本格式如下：

< opcode > {< cond >} { S } < Rd >, < Rn >, < shift_operand >

指令中“< >”内的项是必需的，“{ }”内的项是可选的。各个项目的具体含义如表31所示。

表31ARM指令格式

符号说明

opcode操作码，即指令助记符，如MOV、SUB、LDR等cond条件码，描述指令执行的条件S可选后缀，指令后加上S，指令执行成功完成后自动更新CPSR寄存器中的条件标志位Rd目的寄存器Rn存放第1个操作数的寄存器shift_operand第2个操作数，可以是寄存器、立即数等3.1.2指令的条件码ARM指令集中几乎每条指令都可以是条件执行的，由cond可选条件码来决定，位于ARM指令的较高4位［31∶28］，可以使用的条件码如表32所示。每种条件码的助记符由两个英文符号表示，在指令助记符的后面和指令同时执行。根据程序状态寄存器CPSR中的条件标志位［31∶28］判断当前条件是否满足，若满足则执行指令。若指令中有后缀S，则根据执行结果更新程序状态寄存器CPSR中的条件标志位［31∶28］。

表32ARM指令条件码

指令条件码助记符CPSR条件标志位值含义

0000EQZ=1相等0001NEZ=0不相等0010CS/HSC=1无符号数大于或等于0011CC/LOC=0无符号数小于0100MIN=1负数0101PLN=0正数或零0110VSV=1溢出0111VCV=0没有溢出1000HIC=1,Z=0无符号数大于1001LSC=0,Z=1无符号数小于或等于1010GEN=V有符号数大于或等于1011LTN!=V有符号数小于1100GTZ=0,N=V有符号数大于1101LEZ=1,N!=V有符号数小于或等于1110AL任何无条件执行(指令默认条件) 1111NV任何从不执行(不要执行)3.2ARM指令的寻址方式寻址方式是指处理器根据指令中给出的地址信息，找出操作数所存放的物理地址，实现对操作数的访问。根据指令中给出的操作数的不同形式，ARM指令系统支持的寻址方式有： 立即寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、寄存器移位寻址、变址寻址、多寄存器寻址、堆栈寻址、块复制寻址和相对寻址等。3.2.1立即寻址立即寻址也叫立即数寻址，指令的操作码字段后面的地址码部分不是操作数地址而是操作数本身，包含在指令的32位编码中。立即数前要加前缀“#”。示例：

ADD R0,R0,#1； R0 ← R0 1

MOVR0,#0x00ff； R0 ← 0x00ff

3.2.2寄存器寻址寄存器寻址是指将操作数放在寄存器中，指令中地址码部分给出寄存器编号。这是各类微处理器常用的一种有较高执行效率的寻址方式。示例：

ADD R0,R1,R2； R0 ← R1 R2

MOVR0,R1； R0 ← R1

3.2.3寄存器间接寻址操作数存放在存储器中，并将所存放的存储单元地址放入某一通用寄存器中，在指令中的地址码部分给出该通用寄存器的编号。示例：

LDRR0,［R1］； R0 ← ［R1］

该指令将寄存器R1中存放的值0xA0000008作为存储器地址，将该存储单元中的数据0x00000003传送到寄存器R0中，寻址示意图如图31所示。

图31寄存器间接寻址方式示意图

3.2.4寄存器移位寻址该指令中，寄存器的值在被送到ALU之前，先进行移位操作。移位的方式由助记符给出，移位的位数可由立即数或寄存器直接寻址方式表示。可以采用的移位操作有： LSL： 逻辑左移，寄存器值低端空出的位补0。 LSR： 逻辑右移，寄存器值高端空出的位补0。 ASR： 算术右移，算术移位操作对象是有符号数，位移过程中要保障操作数的符号不变，若操作数是正数，高端空出位补0； 若操作数是负数，高端空出位补1。 ROR： 循环右移，从低端移出的位填入高端空出的位中。 RRX： 带扩展的循环右移，操作数右移1位，高端空出的位用C标志位填充。示例：

MOV R0,R1, LSL #2； R0 ← R1中的数左移2位

ADDR0, R1, R2, LSR #3； R0 ←R1 R2中的数右移3位

3.2.5变址寻址变址寻址方式是将某个寄存器(基址寄存器)的值与指令中给出的偏移量相加，形成操作数的有效地址，再根据该有效地址访问存储器。该寻址方式常用于访问在基址附近的存储单元。示例：

LDRR0,［R1, #2］； R0 ← ［R1 2］

该指令将R1寄存器的值0xA0000008加上位移量2，形成操作数的有效地址，将该有效地址单元中的数据传送到寄存器R0中。3.2.6多寄存器寻址多寄存器寻址方式可以在一条指令中传送多个寄存器的值，一条指令最多可以传送16个通用寄存器的值。连续的寄存器之间用“”连接，不连续的中间用“,”分隔。示例：

LDMIAR0!,{R1R3, R5}； R1 ← ［R0］

； R2 ← ［R0 4］

； R3 ← ［R0 8］

； R5 ← ［R0 12］

该指令将R0寄存器的值0xA0000004作为操作数地址，将存储器中该地址开始的连续单元中的数据传送到寄存器R1、R2、R3、R5中，寻址示意图如图32所示。

图32多寄存器寻址方式示意图

3.2.7相对寻址相对寻址方式就是以PC寄存器为基址寄存器，以指令中的地址标号为偏移量，两者相加形成操作数的有效地址。偏移量指出的是当前指令和地址标号之间的相对位置。子程序调用指令即是相对寻址方式。示例：

BLADDR1； 跳转到子程序ADDR1处执行

…

ADDR1：

…

MOVPC,LR； 从子程序返回

3.2.8堆栈寻址堆栈是按“先进后出”或“后进先出”方式进行存取的存储区。堆栈寻址是隐含的，使用一个叫做堆栈指针的专门寄存器，指示当前堆栈的栈顶。根据堆栈的生成方式不同，分为递增堆栈和递减堆栈。当堆栈向高地址方向生长时，叫做递增堆栈(向上生长)； 当堆栈向低地址方向生长时，叫做递减堆栈(向下生长)。堆栈指针指向压入堆栈的数据时，称为满堆栈； 堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置时，称为空堆栈。这样就有四种类型的堆栈工作方式： 满递增堆栈(FA)、满递减堆栈(FD)、空递增堆栈(EA)、空递减堆栈(ED)。示例：

STMFD SP!,{R1R3, LR}； 将寄存器R1~R3和LR压入堆栈，满递减堆栈

LDMFDSP!,{R1R3, LR}； 将堆栈数据出栈，放入寄存器R1~R3和LR

3.2.9块复制寻址块复制寻址方式是多寄存器传送指令LDM/STM的寻址方式。LDM/STM指令可以将存储器中的一个数据块复制到多个寄存器中，或将多个寄存器中的值复制到存储器中。寻址操作中使用的寄存器可以是R0~R15这16个寄存器的所有或子集。根据基地址的增长方向是向上还是向下，以及地址的增减与指令操作的先后顺序(操作先进行还是地址先增减)的关系，有四种寻址方式： IB(Increment Before)： 地址先增加再完成操作，如STMIB、LDMIB。 IA(Increment After)： 先完成操作再地址增加，如STMIA、LDMIA。 DB(Decrement Before)： 地址先减少再完成操作，如STMDB、LDMDB。 DA(Decrement After)： 先完成操作再地址减少，如STMDA、LDMDA。3.3ARM指令简介ARM指令集主要有： 跳转指令、数据处理指令、程序状态寄存器处理指令、加载/存储指令、协处理器指令和异常产生指令六大类。ARM指令集是加载/存储型的，指令的操作数都存储在寄存器中，处理结果直接放入到目的寄存器中。采用专门的加载/存储指令来访问系统存储器。本节介绍ARM指令集中常用指令的用法和使用要点。3.3.1跳转指令跳转指令用于实现程序流程的跳转。在ARM程序中有两种方式可以实现程序流程的跳转： 直接向程序计数器PC中写入跳转地址，可以实现4GB地址空间内的任意跳转。例如：

LDRPC, ［PC, # 0x00FF］； PC ← ［PC 8 0x00FF］

使用专门的跳转指令。ARM指令集中的跳转指令可以完成从当前指令向前或向后的32MB地址空间的跳转。跳转指令有： 1. B指令

B{条件}目标地址

跳转指令B是最简单的跳转指令，跳转到给定的目标地址，从那里继续执行。示例：

BWAITA； 无条件跳转到标号WAITA处执行

B0x1234； 跳转到地址0x1234处

2. BL指令

BL{条件}目标地址

用于子程序调用，在跳转之前，将下一条指令的地址复制到链接寄存器R14(LR)中，然后跳转到指定地址执行。示例：

BLFUNC1； 将当前PC值保存到R14中，然后跳转到标号FUNC1处执行

3. BLX指令

BLX{条件}目标地址

BLX指令从ARM指令集跳转到指定地址执行，并将处理器的工作状态由ARM状态切换到Thumb状态，同时将PC值保存到链接寄存器R14中。示例：

BLX FUNC1； 将当前PC值保存到R14中，然后跳转到标号FUNC1处执行，

； 并切换到Thumb状态

BLX R0； 将当前PC值保存到R14中，然后跳转R0中的地址处执行，

； 并切换到Thumb状态

4. BX指令

BX{条件}目标地址

带状态切换的跳转指令，跳转到指定地址执行。若目标地址寄存器的位［0］为1，处理器的工作状态切换为Thumb状态，同时将CPSR中的T标志位置1，目标地址寄存器的位［31∶1］复制到PC中； 若目标地址寄存器的位［0］为0，处理器的工作状态切换为ARM状态，同时将CPSR中的T标志位清0，目标地址寄存器的位［31∶1］复制到PC中。示例：

BXR0； 跳转R0中的地址处执行，如果R0［0］=1，切换到Thumb状态

3.3.2数据处理指令数据处理指令主要完成寄存器中数据的各种运算操作。数据处理指令的使用原则： 所有操作数都是32位，可以是寄存器或立即数。 如果数据操作有结果，结果也为32位，放在目的寄存器中。 指令使用“两操作数”或“三操作数”方式，即每一个操作数寄存器和目的寄存器分别指定。 数据处理指令只能对寄存器的内容进行操作。指令后都可以选择S后缀来影响标志位。比较指令不需要后缀S，这些指令执行后都会影响标志位。1. MOV指令

MOV{条件}{S}目的寄存器,源操作数

MOV指令将一个立即数、一个寄存器或被移位的寄存器传送到目的寄存器中。后缀S表示指令的操作是否影响标志位。如果目的寄存器是寄存器PC可以实现程序流程的跳转，寄存器PC作为目的寄存器且后缀S被设置，则在跳转的同时，将当前处理器工作模式下的SPSR值复制到CPSR中。示例：

MOVR0, #0x01； 将立即数0x01装入到R0

MOVR0, R1； 将寄存器R1的值传送到R0

MOVSR0, R1, LSL #3； 将寄存器R1的值左移3位后传送到R0，并影响标志位

MOVPC, LR； 将链接寄存器LR的值传送到PC中，用于子程序返回

2. MVN指令

MVN{条件}{S}目的寄存器,源操作数

MVN指令将一个立即数、一个寄存器或被移位的寄存器的值先按位求反，再传送到目的寄存器中。后缀S表示是否影响标志位。示例：

MVNR0, #0x0FF； 将立即数0xFF按位求反后装入R0，操作后R0=0xFFFFFF00

MVNR0, R1； 将寄存器R1的值按位求反后传送到R0

3. ADD指令

ADD{条件}{S}目的寄存器,操作数1,操作数2

ADD指令将两个操作数相加后，结果放入目的寄存器中。同时根据操作的结果影响标志位。示例：

ADDR0, R0, #1； R0 = R0 1

ADDR0, R1, R2； R0 = R1 R2

ADDR0, R1, R2, LSL #3； R0 = R1 (R2

4. SUB指令

SUB{条件}{S}目的寄存器,操作数1,操作数2

SUB指令用于把操作数1减去操作数2，将结果放入目的寄存器中。同时根据操作的结果影响标志位。示例：

SUBR0, R0, #1； R0 = R0 - 1

SUBR0, R1, R2； R0 = R1- R2

SUBR0, R1, R2, LSL #3； R0 = R1 - (R2

5. RSB指令

RSB{条件}{S}目的寄存器,操作数1,操作数2

RSB指令称为逆向减法指令，用于把操作数2减去操作数1，将结果放入目的寄存器中。同时根据操作的结果影响标志位。示例：

RSBR0, R0, #0xFFFF； R0 = 0xFFFF- R0

RSBR0, R1, R2； R0 = R2 - R1

6. ADC指令

ADC{条件}{S}目的寄存器,操作数1,操作数2

ADC指令将两个操作数相加后，再加上CPSR中的C标志位的值，将结果放入目的寄存器中。同时根据操作的结果影响标志位。示例：

ADDSR0, R0, R2

ADCR1, R1, R3； 用于64位数据加法，(R1，R0)=(R1，R0) (R3，R2)

7. SBC指令

SBC{条件}{S}目的寄存器,操作数1,操作数2

SBC指令用于操作数1减去操作数2，再减去CPSR中的C标志位值的反码，将结果放入目的寄存器中。同时根据操作的结果影响标志位。示例：

SUBSR0, R0, R2

SBCR1, R1, R3； 用于64位数据减法，(R1，R0)=(R1，R0)-(R3，R2)

8. RSC指令

RSC{条件}{S}目的寄存器,操作数1,操作数2

RSC指令用于操作数2减去操作数1，再减去CPSR中的C标志位值的反码，将结果放入目的寄存器中。同时根据操作的结果影响标志位。示例：

RSBSR2, R0, #0

RSCR3, R1, #0； 用于求64位数据的负数

RSCR0, R1, R2； R0 = R2 - R1-!C

9. AND指令

AND{条件}{S}目的寄存器,操作数1,操作数2

AND指令实现两个操作数的逻辑与操作，将结果放入目的寄存器中。同时根据操作的结果影响标志位。常用于将操作数某些位清0。示例：

ANDR0, R1, R2； R0 = R1 & R2

ANDR0, R0, #3； R0的位0和位1不变，其余位清0

10. ORR指令

ORR{条件}{S}目的寄存器,操作数1,操作数2

ORR指令实现两个操作数的逻辑或操作，将结果放入目的寄存器中。同时根据操作的结果影响标志位。常用于将操作数某些位置1。示例：

ORRR0, R0, #3； R0的位0和位1置1，其余位不变

11. EOR指令

EOR{条件}{S}目的寄存器,操作数1,操作数2

EOR指令实现两个操作数的逻辑异或操作，将结果放入目的寄存器中。同时根据操作的结果影响标志位。常用于将操作数某些位置取反。示例：

EORR0, R0, #0F； R0的低4位取反

12. BIC指令

BIC{条件}{S}目的寄存器,操作数1,操作数2

BIC指令用于清除操作数1的某些位，将结果放入目的寄存器中。同时根据操作的结果影响标志位。操作数2为32位掩码，掩码中设置了哪些位则清除操作数1中这些位。示例：

BICR0, R0, #0F； 将R1的低4位清0，其他位不变

13. CMP指令

CMP{条件}操作数1,操作数2

CMP指令用于把一个寄存器的值减去另一个寄存器的值或立即数，根据结果设置CPSR中的标志位，但不保存结果。示例：

CMPR1, R0； 将R1的值减去R0的值，并根据结果设置CPSR的标志位

CMPR1, #0x200； 将R1的值减去0x200，并根据结果设置CPSR的标志位

14. CMN指令

CMN{条件}操作数1,操作数2

CMN指令用于把一个寄存器的值减去另一个寄存器或立即数取反的值，根据结果设置CPSR中的标志位，但不保存结果。该指令实际完成两个操作数的加法。示例：

CMNR1, R0； 将R1的值和R0的值相加，并根据结果设置CPSR的标志位

CMNR1, #0x200； 将R1的值和立即数0x200相加，并根据结果设置CPSR的标志位

15. TST指令TST{条件}操作数1,操作数2

TST指令用于把一个寄存器的值和另一个寄存器的值或立即数进行按位与运算，根据结果设置CPSR中的标志位，但不保存结果。该指令常用于检测特定位的值。示例：

TSTR1, #0x0F； 检测R1的低4为是否为0

16. TEQ指令

TEQ{条件}操作数1,操作数2

TST指令用于把一个寄存器的值和另一个寄存器的值或立即数进行按位异或运算，根据结果设置CPSR中的标志位，但不保存结果。该指令常用于检测两个操作数是否相等。示例：

TEQR1, R2； 将R1的值和R2的值进行异或运算，并根据结果设置CPSR的标志位

3.3.3程序状态寄存器处理指令MRS指令和MSR指令用于在状态寄存器和通用寄存器间传输数据。状态寄存器的值要通过“读取→修改→写回”三个步骤操作来实现，可先用MRS指令将状态寄存器的值复制到通用寄存器中，修改后再通过MSR指令把通用寄存器的值写回状态寄存器。示例：

MRSR0, CPSR； 将CPSR的值复制到R0中

ORRR0, R0, #C0； R0的位6和位7置1，即屏蔽外部中断和快速中断

MSRCPSR, R0； 将R0值写回到CPSR中

MRS指令和MSR指令的格式如下：

MRS{条件}通用寄存器, 程序状态寄存器(CPSR或SPSR)

MSR{条件}程序状态寄存器(CPSR或SPSR)_, 操作数

其中，MSR指令中的可用于设置程序状态寄存器中需要操作的位： 位［31∶24］为条件标志位域，用f表示。 位［23∶16］为状态位域，用s表示。 位［15∶8］为扩展位域，用x表示。 位［7∶0］为控制位域，用c表示。示例：

MSRCPSR_cxsf, R3

3.3.4加载/存储指令加载/存储指令用于在寄存器和存储器之间传输数据，Load指令用于将存储器中的数据传输到寄存器中，Store指令用于将寄存器中的数据保存到存储器中。1. LDR指令

LDR{条件}目的寄存器,

LDR指令将一个32位字数据传输到目的寄存器中。如果目的寄存器是PC，从存储器中读出的数据将作为目的地址，以实现程序流程的跳转。示例：

LDRR1, ［R0, #0x12］； 将存储器地址为R0 0x12的字数据写入R1

LDRR1, ［R0, R2］； 将存储器地址为(R0 R2)的字数据写入R1

2. STR指令

STR{条件}源寄存器,

STR指令用于从源寄存器中将一个32位字数据写入存储器中。示例：

STRR1, ［R0, #0x12］； 将R1中的字数据写入以R0 0x12为地址的存储器中

STRR1, ［R0］, #0x12； 将R1中的字数据写入以R0 0x12为地址的存储器中，

； 并将新地址R0 0x12写入R0

3. LDM和STM指令

LDM(或STM){条件}{类型}基址寄存器{！},寄存器列表{∧}

LDM指令和STM指令实现一组寄存器和一