【物联网】ARM核常用指令(详解)：数据传送、计算、位运算、比较、跳转、内存访问、CPSR/SPSR、流水线及伪指令

文章目录

指令格式（重点）
- 1. 立即数
- 2. 寄存器位移
一、数据传送指令
- 1. MOV指令
- 2. MVN指令
- 3. LDR指令
二、数据计算指令
- 1. ADD指令
- 1. SUB指令
- 1. MUL指令
三、位运算指令
- 1. AND指令
- 2. ORR指令
- 3. EOR指令
- 4. BIC指令
四、比较指令
五、跳转指令
- 1. B/BL指令
- 2. ldr指令
- 练习
六、内存访问指令
- 1. 单内存访问指令
- - 练习
- 2. 多内存访问指令
- - 示例
- 3. 栈操作指令
- - 示例
七、CPSR/SPSR操作指令
- - 练习
八、ARM指令流水线分析及伪指令
- 1. 最佳流水线
- 2. 内存访问指令流水线
- 3. 分支流水线
- 4. ARM伪指令、汇编与C混合编程、Volatile关键字
- - （1）LDR R0,=0x12345678分析
  - （2）LDR R0,=Label 分析
  - （3）LDR R0,Label
  - （4）ADR R0,Label分析
  - （5）如何判别代码在实际内存中运行的地址?

指令格式（重点）

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1. 立即数

一个常数，该常数必须对应8位位图，即一个8位的常数通过,循环右移偶数位得到该数，该数
数为合法立即数。
在指令中表示方法:#数字，例如：#100

快速判定是否是合法立即数：

首先将这个数转换为32bit的16进制形式，例如218=0xDA=0x000000DA
除零外，仅有一位数为合法立即数
除零外，仅有二位数，并且相邻(包括首尾，如0x1000000A)的为合法立即数。
除零外，仅有三位数，并且相邻(包括中间有0相间，例如0x10800000，包括首尾相邻
如:0x14000003),这三位数中，最高位取值仅能为1、2、3，最低位取值仅能为4、8、C
中间位0x0~0xF。这种组合的为合法立即数。

2. 寄存器位移

将寄存器值读取之后，进行移位运算后，作为操作数2参与运算。支持的移位方式如下:

LSL(Logical shift Left)逻辑右移
LSR(Logical shift Right)逻辑左移
ASR(Arithmetic shift Right)算术右移

r0,lsr #4 表示r0 >>4
r0,lsr r1 表示r0 >>r1
#3,LsL #4 错误，只能是寄存器移位，不能是立即数移位

一、数据传送指令

1. MOV指令

格式：mov 目标寄存器，操作数2
功能：将操作数2的值赋值给目标寄存器

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2. MVN指令

格式:mvn 目标寄存器，操作数2
功能:将操作2取反的值给目标寄存器

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3. LDR指令

格式: LDR 目标寄存器,= 数据
功能: 完成任意的数据传送到目标寄存器
注意: 数据前面不能加#，因为此时数据不按立即数来处理

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二、数据计算指令

1. ADD指令

格式: add 目标寄存器，操作数1，操作数2
功能: 将操作数1加上操作数2的结果给目标寄存器
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1. SUB指令

格式: sub 目标寄存器，操作数1，操作数2
功能: 将操作数1减去操作数2的结果给目标寄存器

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1. MUL指令

格式: mul 目标寄存器，操作1，操作2
功能: 将操作数1乘以操作数2的结果存放在目标寄存器

注意：操作数1和操作2必须都是寄存器,并且操作1的寄存器编号不能和目标寄存器一样

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三、位运算指令

1. AND指令

格式: and 目标寄存器，操作数1，操作数2
功能: 将操作数1按位与操作数2的结果存放在目标寄存器
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2. ORR指令

格式: orr 目标寄存器，操作数1，操作数2
功能: 将操作1按位或操作2的结果存放在目标寄存器

3. EOR指令

格式: eor 目标寄存器，操作1，操作2
功能: 将操作数1按位异或操作数2的结果存放在目标寄存器

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4. BIC指令

格式: bic 目标寄存器，操作1，操作2
功能: 将操作数1按位与操作数2取反的结果存放在目标寄存器
目标寄存器 = 操作数1 & ~操作数2

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四、比较指令

格式: cmp 寄存器，操作数2
等于寄存器减去操作数2
功能: 将寄存器的值与操作2比较，比较的结果会自动影响CPSR的NZCV

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答案

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五、跳转指令

1. B/BL指令

格式: B/BL 标签
功能: 跳到一个指定的标签,BL 跳转之前，将跳转前的PC的值保存在LR,跳转范围+/- 32M
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NZCV 标志位

标志位	含义
N (Negative)	结果为负数（Rn < Rm）
Z (Zero)	结果为 0（Rn == Rm）
C (Carry)	发生借位（无符号比较时 Rn < Rm）
V (Overflow)	溢出（有符号计算超出范围）

比较指令 + B 条件跳转

指令	条件	说明
`BEQ label`	`Z == 1`	相等（Rn == Rm）时跳转
`BNE label`	`Z == 0`	不相等（Rn ≠ Rm）时跳转
`BGT label`	`Z == 0 且 N == V`	大于（Rn > Rm，有符号）时跳转
`BGE label`	`N == V`	大于等于（Rn ≥ Rm，有符号）时跳转
`BLT label`	`N ≠ V`	小于（Rn < Rm，有符号）时跳转
`BLE label`	`Z == 1 或 N ≠ V`	小于等于（Rn ≤ Rm，有符号）时跳转
`BHI label`	`C == 1 且 Z == 0`	大于（Rn > Rm，无符号）时跳转
`BHS label`	`C == 1`	大于等于（Rn ≥ Rm，无符号）时跳转
`BLO label`	`C == 0`	小于（Rn < Rm，无符号）时跳转
`BLS label`	`C == 0 或 Z == 1`	小于等于（Rn ≤ Rm，无符号）时跳转

2. ldr指令

格式: ldr pc,= 标签名
功能: 将PC指针指闻标签表示的地址
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练习

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答案

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六、内存访问指令

1. 单内存访问指令

LDR 将内存中的值加载到寄存器(读内存)
STR 将寄存器的内容写入内存(写内存)

寄存器间接寻址：寄存器的值是一个地址

LDR ro,[r1 ]     //r0 = *r1
STR ro,[ r1 ] //*r1 = ro

基址变址寻址：将基地址寄存器加上指令中给出的偏移量，得到数据存放的地址

A. 前索引

STR r0,[r1,#4] //*(r1 + 4)= r0
LDR r0,[r1,#4] //r0 =*(r1+ 4)

B. 后索引

STR r0,[r1],#4   //*r1=r0 &&r1=r1 + 4
LDR r0,[r1],#4   //r0=*r1 &&r1=r1 + 4

C. 自动索引

STR r0,[r1,#4]!    //*(r1+4)=r0&&r1=r1+4
LDR r0,[r1,#4]!    //r0=*(r1+4)&&r1 =r1+4

示范：

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练习

将1-10数据存放在基地址为0x4000,0000,将0x4000,0000起始地址的值拷贝到0x4000,0100

答案
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将0x1234写到0x4000,0000,将0xabcd写到0x4000,0004,然后从这两个地址读取数据做案加，最终结果存放在r0

答案2
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2. 多内存访问指令

LDM 将一块内存的数据，加载到多个寄存器中
STM 将多个寄存器的值，存储到一块内存

格式:

LDM{条件}{s}<MODE>基址寄存器{!},{Reglist}^
STM{条件}{s}<MODE>基址寄存器{!},{Reglist}^

mode	说明
IA	后增加地址
IB	先增加地址
DA	后减少地址
DB	先减少地址

基址寄存器
用于放内存的起始地址

!
最后更新基址寄存器的值

Reglist

多个寄存器，从小到大，中间用 , 隔开，如 {r0,r2,r3} 或 {r0-r7,r10}
寄存器号大的对应内存的高地址，寄存器号小的对应内存的低地址

^

它存在，如果 Reglist 没有 pc 的时候，这个时候操作的寄存器是用户模式下的寄存器
在 LDM 指令中，有 PC 的时候，在数据传送的时候，会将 SPSR 的值拷贝到 CPSR，用于异常的返回

流程图：
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示例

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3. 栈操作指令

A. 进栈

stmfd sp!,{寄存器列表}

B. 出栈

Idmfd sp!,{寄存器列表}

注意
在对栈操作之前，必须先设置sp的值,进栈和出栈的方式一样，ATPCS标准规定满减栈

流程图：
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堆栈指针指向最后压入的堆栈的有效数据项，称为满堆栈
堆栈指针指向下一个待压入数据的空位置，称为空堆栈

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示例

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七、CPSR/SPSR操作指令

A. 读操作

MRS Rn,CPSR/SPSR
将状态寄存器的值，读到通用寄存器中

B. 写操作

MSR CPSR/SPSR,Rn
将通用寄存器的值，写到状态寄存器

练习

A.写一段代码，将CPSR的第I(7)位清0,其他位不变(使能IRQ异常)
B.写一段代码，将CPSR的第I(7)位置1,其他位不变(禁用IRQ异常)

答案
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八、ARM指令流水线分析及伪指令

在ARM核中，为增加处理器指令流的速度，ARM7系列使用3级流水线。允许多个操作同时处理，而非顺序执行。不同的ARM核，流水线的级数是不一样的，ARM核版本越高，流水线级数越多。对于软件工程师编程而言，统一按照三级流水线来分析就可以了。

PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令

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1. 最佳流水线

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该例中用5个时钟周期执行了5条指令,所有的操作都在寄存器中(单周期执行)
指令周期数(CPI)=1

2. 内存访问指令流水线

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该例中，用6周期执行了4条指令，指令周期数(CPI)=1.5

3. 分支流水线

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4. ARM伪指令、汇编与C混合编程、Volatile关键字

伪指令定义:
为了方便程序员使用，编译器设计的指令，这个指令ARM核无法直接识别，需要编译器对他翻译成ARM核所能识别的指令。

（1）LDR R0,=0x12345678分析

再次强调：PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令

如何看内存中的12345678
正在读取的LDR内存是0x0008 加上 PC所在的地址(因为LDR正在执行所以pc等于0x0000000C预取的值)
也就是0x0008加上pc的值0x0000000C等于0x00000014

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总结

编译器在编译的时候，将Idr r0,=0x12345678翻译成了ldr r0,[pc,#0x0008]这一条读内存的指令。根据PC的值加上偏移量算出0x12345678这个数据在内存的地址，然后使用Idr指令读取这个地址的数据。

（2）LDR R0,=Label 分析

1) 链接地址指定为0x0情况分析

0x00000018等于0x000C加上pc的值0x000C

注意 0x00000018的值是14 这是个值是编译器算出来的一个值

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2) 链接地址指定为0x2000情况分析

修改链接地址
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再运行

label的地址也就是0x000c+pc的值0x0000200c=0x00002018

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3) 总结

LDR r0,=Label指令表示将Label的值写入r0,Label的值由指定的代码段运行地址(-Ttext=地址值)来决定。

编译器做法:

首先根据指定的代码段开始的地址，算出Label标签对应的地址值
然后将这个表示的地址值存放在一个位置
生成内存访问指令,根据pc +固定偏移量,找到标签对应值存放的位置

注意
当代码编译结束的时候，标签表示的地址值(根据指定的代码段地址)已经编译死存放在程序文件中了。

（3）LDR R0,Label

LDR R0,Label 表示读取Label表示的地址对应数据

不带=的时候存的是标签里的内容

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（4）ADR R0,Label分析

动态方式根据pc的值+0x00000008

之前是静态的在编译完的时候 label就已经确定值是什么了
这个是动态

举个例子：如果是用LDR我把这个代码放到A内存和B内存运行
这两块内存的值是一模一样的因为在编译完的时候 label就已经确定值是什么了
如果是ADR A内存的0x0008 和B内存的0x0008 是不一样的
有点难理解

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ADR R0,Label指令表示根据当前的PC的值 +/-偏移量，动态获取当前Label所表示的内存地址

（5）如何判别代码在实际内存中运行的地址?

ADR r0,_start 可以知道，因为他是根据pc的值，动态获取
LDR r0,=_start 无法知道，这条指令不论在哪里运行，r0的值都是固定(取决于指定的链接地址)