《ARM体系结构与编程》论文

《ARM体系结构与编程》论文
ARM指令
摘要：
在此论文中，简单了列出一些ARM指令的命令。

包括跳转，数据处理乘法与乘加，程序状态寄存器存取，寄存器加载/存储，移位元，协处理器和和Thumb 指令。

最后有总结了ARM指令极中需要注意和不太容易理解的地方。

关键字：Thumb指令，跳转指令，堆栈寻址，立即数寻址
The ARM instruction set
Abstract:
In this paper, a simple list of instructions commands. The ARM Including jump, data processing method, process and by state registers access, storage, loading/shift register, Thumb and processor instructions. Finally summarizes the ARM instructions in a need to pay attention and not too easy to understand.
Key words: Thumb instruction, jump instruction, stack addressing, immediately several addressing.
1.1 ARM微处理器的指令集概述
ARM指令集
* 跳转指令:
B 跳转指令。

BL 带返回的跳转指令。

BLX 带返回和状态切换的跳转指令。

BX 带状态切换的跳转指令。

* 数据处理指令
MOV 数据传送指令MVN 数据取反传送指令CMP 比较指令
CMN 反值比较指令TST 位测试指令
TEQ 相等测试指令
ADD 加法指令28
ADC 带进位加法指令SUB 减法指令
SBC 带借位减法指令
RSB 逆向减法指令
RSC 带借位的逆向减法指令AND 逻辑与指令
ORR 逻辑或指令
EOR 逻辑互斥指令
BIC 位清除指令
* 乘法指令与乘加指令
MUL 32 位乘法指令
MLA 32 位乘加指令SMULL 64 位有符号数乘法指令
SMLAL 64 位有符号数乘加指令
UMULL 64 位无符号数乘法指令
UMLAL 64 位无符号数乘加指令
* 程序状态寄存器存取指令
MRS 程序状态寄存器到通用寄存器的数据传送指令。

MSR 通用寄存器到程序状态寄存器的数据传送指令。

* 寄存器加载/存储指令:
LDR 字数据加载指令DRB 字节数据加载指令LDRH 半字数据加载指令STR 字数据存储指令STRB 字节数据存储指令STRH 半字数据存储指令LDM 连续数据加载指令STM 连续数据存储指令
* 数据交换指令:
SWP 字数据交换指令
SWPB 字节数据交换指令* 移位元指令：
LSL 逻辑左移ASL 算术左移LSR 逻辑右移ASR 算术右移
ROR 循环右移
RRX 带扩充的循环右移44
* 协处理器指令
CDP 协处理器数操作指令
LDC 协处理器数据加载指令STC 协处理器数据存储指令46 MCR ARM处理器寄存器到协处理器寄存器的数据传送指令MRC 协处理器寄存器到ARM处理器寄存器的数据传送指令
1.2 Thumb指令及应用
Thumb指令集是ARM指令集的一个子集，所有的Thumb指令都有对应的ARM指令。

它舍弃了ARM指令集的一些特性
如大多数的Thumb指令是无条件执行的，而几乎所有的ARM指令都是有条件执行的；大多数的Thumb数据处理指令的目的寄存器与其中一个源寄存器相同。

Thumb指令集在保留32代码优势的同时，大大的节省了系统的存储空间。

Thumb指令集中操作数仍然是32位，指令地址也为32位，指令编码16位。

由于Thumb指令的长度为16位，即只用ARM指令一半的位数来实现同样的功能，所以，要实现特定的程序功能，所需的Thumb指令的条数较ARM指令多。

1.2.1 Thumb指令优势
在一般的情况下，Thumb指令与ARM指令的时间效率和空间效率关系为：–Thumb代码所需的存储空间约为ARM代码的60％～70％；
–Thumb代码使用的指令数比ARM代码多约30％～40％；
–若使用32位的存储器，ARM代码比Thumb代码快约40％；
–若使用16位的存储器，Thumb代码比ARM代码快约40％～50％；
–与ARM代码相比较，使用Thumb代码，存储器的功耗会降低约30％。

1.2.2．Thumb指令集的局限性
条件跳转限制在256byte 偏移范围内，无条件跳转限制为4K偏移范围内，而ARM为32 Mbytes偏移。

它不支持乘法和累加指令；没有协处理器指令；没有信号量指令；没有访问CPSR指令。

1.3 对ARM指令的一些总结
ARM指令集是32位的，程序的启动都是从ARM指令集开始，包括所有异常中断都是自动转化为ARM状态，并且所有的指令都可以是有条件执行的。

ARM指令集是Load/Store型的，只能通过Load/Store指令实现对系统存储器的访问，而其他的指令都是基于处理器内部的寄存器操作完成的，这和INTEL 汇编是不同的，初学者很不易理解。

(1) 指令的后缀：
"S" 可选后缀，若指定S，则根据指令执行的结果更新CPSR中的条件码。

很多初学着不知道怎么更新，若这条指令执行完以后，对ARM程序状态寄存器的条件码标志（N，Z，C，V）的影响。

"! " 表示在完成数据操作以后，将更新基址寄存器，并且不消耗额外的时间。

如：LDR R0, [R1, #4] 他相当于R0 <- mem32[R1+4]
R1 = R1+4;
"^" LDMFD R13!, (R0-R3, PC)^ //"^"表示一条特殊形式的指令。

（在从存储器中装入PC的同时，CPSR也得到恢复）。

四、#号后面加0x或&表示十六进制:#0xFF, #&FF
#号后面加0b表示二进制。

#号后面加0d表示十进制。

(2) 立即数寻址
每个立即数都是采用一个8位的常数循环右移偶数位间接得到。

初学者不易理解：一个32位的指令不可能全部用来保存32位的立即数，所以从指令的编码格式上分析，在指令编码中只分配了12位来存储立即数，其中4位用来保存右循环值，8位用来保存一个常数，所以并不是每一个32位的立即数都是合法的。

六、寄存器寻址
ADD R3，R2，R1，LSR #2 //寄存器R1的内容右移了两位，但是注意本指令执行完毕以后R1的内容并不改变。

七、前变址、自动变址和后变址
1)、前变址：LDR R0，[R1，#4] //R1寄存器的内容先加4，然后执行操作，但操作完毕以后，R1的内容不变。

2)、自动变址：上面总结指令后缀时提到"!"，表示自动变址（参考上面三）。

3)、后变址：LDR R0，[R1]，#4 //先进行操作然后R1+4->R1，操作完毕后，R1 = R1+4。

不需要"!"号。

(3) 堆栈寻址
一定要注意：堆栈操作总是要指定自动变址的，否则会覆盖以前保存的内容。

(4) 乘法指令
1)、乘法指令不支持第二操作数为立即数。

2)、结果寄存器不能同时作为第一源寄存器。

32位：MUL Rd，Rm，Rs
MUL Rd，Rm，Rs //Rd和Rm不能为同一寄存器
64位：MUL RdHi，RdLo，Rm，Rs //RdHi、RdLo和Rm不能为同一寄存器，RdHi和RdLo不能为同一寄存器。

(4) 跳转指令
1)、BL和BLX跳转是硬件自动将下一条指令地址保存到LR（R14）中，不需要自己写指令。

2)、当指令跳转到32MB地址空间以外时，将产生不可预料的结果。

ARM的指令集比较简单，肯定还有其他需要注意的地方，欢迎网友们积极参与补充。

1.4 参考资料
1)马忠梅，马广云等ARM嵌人式处理器结构与应用基础.北京s北京航空航天大学出版杜，2002
2)杜春雷.ARM体系结构与编程.北京清华大学出版社,2003
3)马文华嵌入式系统设计与开发科学出版社。