ARM的指令集.ppt
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数 1.算术运算指令 ADD、 SUB、 ADC、SBC 、 RSB、RSC ； 据 处 2.逻辑运算指令 AND、ORR、EOR、BIC； 理 3. 比较指令 CMP、CMN；
4.测试指令 TST、TEQ； 5. 乘法指令 MUL、MLA、UMULL、UMLAL、SMULL、SMLAL 6. 数据传送指令 MOV、MVN；
2. Thumb指令集特点
16位指令编码
压缩指令，在ARM的Pipeline中先动态解压，再作为标准32位 ARM指令执行
CPSR[5]位T决定指令流类型：T=1则Thumb；
Thumb指令集没有协处理器、信号量、乘加、64位乘、状态寄 存器等指令；
指令均为无条件执行，只有B指令除外；
执响R条2行C件←P条条执S影R读R内件件执行1的响RA-取容加执0N2行减L标CxR←，（法E行2P条法1志，0R执地总指S分件：；位影1R行址是令支+E的1Q条上）：指；标，件的令志， 即相等位则跳转
SUBNES R2，R1，#0x20
NZ C V
……
I F T M4 M3 M2 M1 M0
4. 数据处理指令
可用一条指令将16个可见寄存器的任意子集存储到 内存或者相反。
寻址模式受到限制
LDM/STM的两种用途
可允许OS加载或存储用户模式寄存器来保护和恢复 用户处理状态（保存作业现场）；
可作为异常处理返回的一部分，完成从SPSR中恢复 CPSR。
多寄存器存取指令形式 指令举例
4.3 状态寄存器与GPRs之间的 传送
将数据从存储器中调入寄存器中进行处理； 处理完成后经过寄存器将结果存回到存储器中
I/O功能是通过存储器映射的可循之外围寄存器和终 端输入的组合来实现。
在存储器映射系统中，外设中的寄存器被映射为存储器的地 址，对这些寄存器的操作方法与对存储器的操作相同
处理器对外设的操作也是适用Load/Store指令通过类似存储 器操作来完成。
每一个机器指令必须包含CPU执行所需的全部信息
CPU访问 存储器或
I/O
取指令
CPU内部 操作
指令地址 计算
指令译码
指令完成取 下一条
取操作数
多操 作数
操作数 地址 计算
数据操作
存操作数
多结果
操作数 地址 计算
2. 机器指令要素
操作码 （opcode） 源操作数引用 结果操作数引用 下一指令引用
4. 基址加偏址寻址（变址寻址）
前变址：
自动变址：后变址：
R0 ←Mem32[R1+4]； R0 ←Mem3R20[R←1+M4e]m；32[R1]；
将基址寄存器的内容与指令 举例 R1←R1+R41 ←R1+4；
中给出的偏移量相加，形成
存储器的有效地址，用于访
LDR R0，[R1，#4]
问基址附近的存储器单元。 LDR R0，[R1，#4]！
地址
无符号整数32位
数值
整数或定点数 浮点数 十进制数 BCD（Binary Coded Decimal）
字符
ASCII码
逻辑数据
9. 操作类型
典型分类
CPU动作
指令举例
数据传送 算术
逻辑 I/O 系统控制 控制传递
传送数据到另一个位置
ALU内完成功能 设置条件代码和标志
同算术指令
用机器语言编程语句 N = I + J + K
6.2 ARM寻址方式
6.2.1 寻址方式
1. 寻址方式的考虑
为什么要采用多种寻址方式？ 基本寻址方式：
立即寻址 直接寻址 间接寻址 寄存器寻址 寄存器间接寻址 偏移寻址 堆栈寻址
2. RISC体系采用的指令集结构ISA
有两种ISA：
4.将结果值存入内存513位置；
Store
6. 指令类型的基本分类
典型分类 数据传送
算术 逻辑 I/O 系统控制 控制传递
指令举例 Load，Store，Push，Pop
Add，Sub，Mul，Div AND，OR，NOT，Shift
Read，Write SWI（软中断），BKPT Jump，Return，NOP，
LDM/STM根据其后缀名，
STMDB
R9！,(R0,R1,R5)
其寻址方式有所不同
LDM/STM的后缀选择
7. 相对寻址
可以认为是基址为PC的 变址寻址，偏移量给出 了目的地址于现行指令 之间的相对位置。
子程序入口 地址
举例
转移到SUBR
BL SUBR 。。。。。。
SUBR MOV PC，R14
举例
ADD R0，R0，#1 AND R8，R7，#0xFF MOV R1，#0x00012800
2. 寄存器寻址
利用寄存器中的数值作 为操作数，指令中的地 址码给出的是寄存器名
举例
ADD R0，R1，R2 ADD R3，R2，R1，LSR #2
第二操作数位寄存器型 ADD R3，R2，R1，LSR R4
时，可以选择对第二操
作数进行移位
LSL，LSR，ASL， ASR，ROR，RRX
3. 寄存器间接寻址
ARM的数据传送指令都 举例
是基于寄存器间接寻址， 通过Load/Store完成对 数据的操作。
LDR R0，[R1] STR R0，[R1]
R0 ← mem32[R1]
R0 → mem32[R1]
3. 基本指令格式
<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn> {,<operand2>}
指令助记符
可选条件码； 指令执行条件
可选后缀，可根 据指令结果更新
CPSR条件码
Rd：目标寄存器； Rn：第一操作数寄
存器
第2操作数
3. 基本指令格式举例
LDR R0，[R1] BEQ DATAEVEN ADDS R2，R1，#1
字节传送： R0 ←Mem8[R1]
半字传送： R1 ←Mem16[R0+20]
5. 堆栈寻址
Stack是用于保存数据的 一块连续内存，按照 FIFO或FILO顺序存取
举例
STMFD SP！{R1-R7，LR}
指向堆栈的地址寄存器 成为堆栈指针（SP）
LDMFD SP！{R1-R7，LR}
Rd ← （Rm*Rs）[31：0] Rd ← （Rm*Rs+Rn）[31：0] RdHi：RdLo ← Rn * Rs RdHi：RdLo += Rn * Rs RdHi：RdLo ← Rn * Rs RdHi：RdLo += Rn * Rs
4.2 Load/Store 指令
ARM处理器是Load/Store型的。
返回
小结
6.3 ARM指令集编码与格 式
1. ARM指令分类
分类指令
指令列举
数据处理 数据传送
状态寄存器访问
ADD、ADC、SUB、RSB、SBC； MOV、MVN； AND、ORR、EOR、BIC；CMP、CMN；TST、TEQ； MUL、MLA、UMULL、UMLAL、SMULL、SMLAL
后变址
LDR|STR {<cond>} {B} {T} Rd,[Rn]，<offset>
相对PC变址 LDR|STR {<cond>} {B} Rd, LABEL
LDR/STR 举例
T标志位只能在非用户 模式即特权模式下使 用。作用是选择用户 角度的存储器变换系
统
4.2.2 多寄存器存取指令
LDM/STM
LDR、STR(单寄存器存取)； LDM、STM（多寄存器存取）；SWP(信号量） MRS、MSR
分支指令 B、BL；BX、BLX；
异常产生 协处理器
SWI（软中断产生）；BKPT（断点指令）； CDP；LDC、STC；MCR、MRC；
2. ARM指令编码
ARM指令编码格式 ARM条件编码格式
4.2.1 单寄存器存取指令
LDR/STR
传送的数据可以是8位字节、16位半字或32位字
可以适用7种寻址方式；
B表示传送无符号字
可以适用自动变址寻址方式（硬件支持） 节还是字。缺省
指令格式
B=0为传送字
前变址：
LDR|STR {<cond>} {B} Rd,[Rn，<offset>] {!}
偏移量不超过4KB（指令编 码中Offset 为12位）
前变址，后变址，自动变址 三种模式
寄存器间接寻址实际是偏移 量为0的基址加偏址寻址
LDR R0，[R1 ] ，#4 LDR R0，[R1，R2] LDR R0，[R1，R2，LSL，#2] LDRB R0，[R1] LDRH R1，[R0，#20]
向I/O模块发出命令
Load，Store，Push， Pop
Add，Sub，Mul， Div
AND，OR，NOT， Shift
Read，Write
特权指令，保留给操作系统使用
修改PC，以完成程序调用/返回，管 理参数传送
SWI（软中断）， BKPT
Jump，Return， NOP，
10. 汇编语言 －举例
对堆栈的访问通过堆栈 指针R13指向堆栈区域来 实现
6. 块拷贝寻址
是多寄存器传送指令 举例
LDM/STM的寻址方式， STMIA R9！,(R0,R1,R5)
可以把内存中的数据块 STMIB R9！,(R0,R1,R5) 加载到多个寄存器中去。
STMDA R9！,(R0,R1,R5)
4.1 乘法指令
完成2个寄存器的数据相乘。按照结果位宽可分成两类：
64位结果； 仅保留最低有效32位。
2种类型都有“乘-累加”变形，即将成绩连续相加成总和，且适用 于无符号和有符号数
乘法指令举例
MUL、 MLA、 UMULL、 UMLALwenku.baidu.com SMULL、 SMLAL
乘（32位结果） 乘-累加（32位结果） 无符号数长乘 无符号数长乘-累加 符号数长乘 符号数长乘-累加
SWI代表“软件中断”，用户可通过其调用系统例 程，又被称为监控调用。
它将处理器至于SVC监控模式，从0x08开始执行指 令。
指令格式与举例
BKPT用于产生软件断点，供调试程序使用。
用于软件调试，使处理器停止执行正常指令而进入 相应的调试程序。
6.4 Thumb指令
1. Thumb指令编码格式
回顾
第六章 ARM基本指令集与寻址介 绍
6.1 指令集的特征与功能 6.2 ARM寻址方式 6.3 ARM指令集编码格式 6.4 Thumb指令集
6.1 指令集的特征与功能
1 指令概念
机器指令（machine instruction） 指令集 （Instruction Set）
2. 机器指令要素
做何操作？
对谁做此操作？ 如何寻找被操作数据的寄
存器或存储器位置？
完成后到哪里去取下一个 操作？
3. 机器指令的表示方法—指令格式
指令格式有多 种表示形式： 定长，变长， 混合长度
对于32位RISC 处理器，一般 采用定长格式 的32位二进制 码。
4. 机器指令的表示方法
采用符号表示法来描述机器指令 e.g. ADD， SUB，Load，Store。
由编译器完成符号→二进制的转换
5. 指令类型
指令集必须充分，应允许用户表达任何处理任务，可 以表示任何高级语言的指令形式。
E.g.一行简单程序：
➢ X=X+Y ➢ 设:
X的内存位置513; Y的内存位置514;
1.将内存513位置的值放入寄存器reg_x； Load 2.将内存514的值放到另一寄存器reg_y； Load 3.将reg_y加到reg_x,将结果放入reg_x；ADD
Register-memory Register-Register
RISC采用 Register-Regiter （Load-Store）
6.2.2 ARM处理器的 寻址方式
1. 立即寻址
操作数直接通过指令 给出，数据包含在32 位指令编码中。
32位有效立即数通过 循环右移偶数位而间 接得到
MSR/MRS
PSW到GPRs的传送指令MRS； GPRs 到PSW的传送指令MSR； 修改PSW一般是通过“读-修改-写”3个步骤来完成。 不能通过该指令直接修改CPSR中的T位直接将程序
状态切换到Thumb状态，而是必须通过BX指令完 成状态切换。
4.4 异常中断产生指令
SWI指令用于产生SWI异常中断，可以实现在 用户模式下对OS中特权模式的程序调用。
7. 指令集设计的关键环节
指令集设计是计算机设计最有影响的方面
基本设计出发点
操作指令表
应提供多少和怎样的操作？
数据类型 指令格式 寄存器
对几种数据类型完成操作？ 8位字节？32位字？64位双字？
指令位长度，地址数目，各字段大小
寻址方式
CPU寄存器数目以及其用途
指定操作数产生的方式
8. 操作数类型
4.测试指令 TST、TEQ； 5. 乘法指令 MUL、MLA、UMULL、UMLAL、SMULL、SMLAL 6. 数据传送指令 MOV、MVN；
2. Thumb指令集特点
16位指令编码
压缩指令，在ARM的Pipeline中先动态解压，再作为标准32位 ARM指令执行
CPSR[5]位T决定指令流类型：T=1则Thumb；
Thumb指令集没有协处理器、信号量、乘加、64位乘、状态寄 存器等指令；
指令均为无条件执行，只有B指令除外；
执响R条2行C件←P条条执S影R读R内件件执行1的响RA-取容加执0N2行减L标CxR←，（法E行2P条法1志，0R执地总指S分件：；位影1R行址是令支+E的1Q条上）：指；标，件的令志， 即相等位则跳转
SUBNES R2，R1，#0x20
NZ C V
……
I F T M4 M3 M2 M1 M0
4. 数据处理指令
可用一条指令将16个可见寄存器的任意子集存储到 内存或者相反。
寻址模式受到限制
LDM/STM的两种用途
可允许OS加载或存储用户模式寄存器来保护和恢复 用户处理状态（保存作业现场）；
可作为异常处理返回的一部分，完成从SPSR中恢复 CPSR。
多寄存器存取指令形式 指令举例
4.3 状态寄存器与GPRs之间的 传送
将数据从存储器中调入寄存器中进行处理； 处理完成后经过寄存器将结果存回到存储器中
I/O功能是通过存储器映射的可循之外围寄存器和终 端输入的组合来实现。
在存储器映射系统中，外设中的寄存器被映射为存储器的地 址，对这些寄存器的操作方法与对存储器的操作相同
处理器对外设的操作也是适用Load/Store指令通过类似存储 器操作来完成。
每一个机器指令必须包含CPU执行所需的全部信息
CPU访问 存储器或
I/O
取指令
CPU内部 操作
指令地址 计算
指令译码
指令完成取 下一条
取操作数
多操 作数
操作数 地址 计算
数据操作
存操作数
多结果
操作数 地址 计算
2. 机器指令要素
操作码 （opcode） 源操作数引用 结果操作数引用 下一指令引用
4. 基址加偏址寻址（变址寻址）
前变址：
自动变址：后变址：
R0 ←Mem32[R1+4]； R0 ←Mem3R20[R←1+M4e]m；32[R1]；
将基址寄存器的内容与指令 举例 R1←R1+R41 ←R1+4；
中给出的偏移量相加，形成
存储器的有效地址，用于访
LDR R0，[R1，#4]
问基址附近的存储器单元。 LDR R0，[R1，#4]！
地址
无符号整数32位
数值
整数或定点数 浮点数 十进制数 BCD（Binary Coded Decimal）
字符
ASCII码
逻辑数据
9. 操作类型
典型分类
CPU动作
指令举例
数据传送 算术
逻辑 I/O 系统控制 控制传递
传送数据到另一个位置
ALU内完成功能 设置条件代码和标志
同算术指令
用机器语言编程语句 N = I + J + K
6.2 ARM寻址方式
6.2.1 寻址方式
1. 寻址方式的考虑
为什么要采用多种寻址方式？ 基本寻址方式：
立即寻址 直接寻址 间接寻址 寄存器寻址 寄存器间接寻址 偏移寻址 堆栈寻址
2. RISC体系采用的指令集结构ISA
有两种ISA：
4.将结果值存入内存513位置；
Store
6. 指令类型的基本分类
典型分类 数据传送
算术 逻辑 I/O 系统控制 控制传递
指令举例 Load，Store，Push，Pop
Add，Sub，Mul，Div AND，OR，NOT，Shift
Read，Write SWI（软中断），BKPT Jump，Return，NOP，
LDM/STM根据其后缀名，
STMDB
R9！,(R0,R1,R5)
其寻址方式有所不同
LDM/STM的后缀选择
7. 相对寻址
可以认为是基址为PC的 变址寻址，偏移量给出 了目的地址于现行指令 之间的相对位置。
子程序入口 地址
举例
转移到SUBR
BL SUBR 。。。。。。
SUBR MOV PC，R14
举例
ADD R0，R0，#1 AND R8，R7，#0xFF MOV R1，#0x00012800
2. 寄存器寻址
利用寄存器中的数值作 为操作数，指令中的地 址码给出的是寄存器名
举例
ADD R0，R1，R2 ADD R3，R2，R1，LSR #2
第二操作数位寄存器型 ADD R3，R2，R1，LSR R4
时，可以选择对第二操
作数进行移位
LSL，LSR，ASL， ASR，ROR，RRX
3. 寄存器间接寻址
ARM的数据传送指令都 举例
是基于寄存器间接寻址， 通过Load/Store完成对 数据的操作。
LDR R0，[R1] STR R0，[R1]
R0 ← mem32[R1]
R0 → mem32[R1]
3. 基本指令格式
<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn> {,<operand2>}
指令助记符
可选条件码； 指令执行条件
可选后缀，可根 据指令结果更新
CPSR条件码
Rd：目标寄存器； Rn：第一操作数寄
存器
第2操作数
3. 基本指令格式举例
LDR R0，[R1] BEQ DATAEVEN ADDS R2，R1，#1
字节传送： R0 ←Mem8[R1]
半字传送： R1 ←Mem16[R0+20]
5. 堆栈寻址
Stack是用于保存数据的 一块连续内存，按照 FIFO或FILO顺序存取
举例
STMFD SP！{R1-R7，LR}
指向堆栈的地址寄存器 成为堆栈指针（SP）
LDMFD SP！{R1-R7，LR}
Rd ← （Rm*Rs）[31：0] Rd ← （Rm*Rs+Rn）[31：0] RdHi：RdLo ← Rn * Rs RdHi：RdLo += Rn * Rs RdHi：RdLo ← Rn * Rs RdHi：RdLo += Rn * Rs
4.2 Load/Store 指令
ARM处理器是Load/Store型的。
返回
小结
6.3 ARM指令集编码与格 式
1. ARM指令分类
分类指令
指令列举
数据处理 数据传送
状态寄存器访问
ADD、ADC、SUB、RSB、SBC； MOV、MVN； AND、ORR、EOR、BIC；CMP、CMN；TST、TEQ； MUL、MLA、UMULL、UMLAL、SMULL、SMLAL
后变址
LDR|STR {<cond>} {B} {T} Rd,[Rn]，<offset>
相对PC变址 LDR|STR {<cond>} {B} Rd, LABEL
LDR/STR 举例
T标志位只能在非用户 模式即特权模式下使 用。作用是选择用户 角度的存储器变换系
统
4.2.2 多寄存器存取指令
LDM/STM
LDR、STR(单寄存器存取)； LDM、STM（多寄存器存取）；SWP(信号量） MRS、MSR
分支指令 B、BL；BX、BLX；
异常产生 协处理器
SWI（软中断产生）；BKPT（断点指令）； CDP；LDC、STC；MCR、MRC；
2. ARM指令编码
ARM指令编码格式 ARM条件编码格式
4.2.1 单寄存器存取指令
LDR/STR
传送的数据可以是8位字节、16位半字或32位字
可以适用7种寻址方式；
B表示传送无符号字
可以适用自动变址寻址方式（硬件支持） 节还是字。缺省
指令格式
B=0为传送字
前变址：
LDR|STR {<cond>} {B} Rd,[Rn，<offset>] {!}
偏移量不超过4KB（指令编 码中Offset 为12位）
前变址，后变址，自动变址 三种模式
寄存器间接寻址实际是偏移 量为0的基址加偏址寻址
LDR R0，[R1 ] ，#4 LDR R0，[R1，R2] LDR R0，[R1，R2，LSL，#2] LDRB R0，[R1] LDRH R1，[R0，#20]
向I/O模块发出命令
Load，Store，Push， Pop
Add，Sub，Mul， Div
AND，OR，NOT， Shift
Read，Write
特权指令，保留给操作系统使用
修改PC，以完成程序调用/返回，管 理参数传送
SWI（软中断）， BKPT
Jump，Return， NOP，
10. 汇编语言 －举例
对堆栈的访问通过堆栈 指针R13指向堆栈区域来 实现
6. 块拷贝寻址
是多寄存器传送指令 举例
LDM/STM的寻址方式， STMIA R9！,(R0,R1,R5)
可以把内存中的数据块 STMIB R9！,(R0,R1,R5) 加载到多个寄存器中去。
STMDA R9！,(R0,R1,R5)
4.1 乘法指令
完成2个寄存器的数据相乘。按照结果位宽可分成两类：
64位结果； 仅保留最低有效32位。
2种类型都有“乘-累加”变形，即将成绩连续相加成总和，且适用 于无符号和有符号数
乘法指令举例
MUL、 MLA、 UMULL、 UMLALwenku.baidu.com SMULL、 SMLAL
乘（32位结果） 乘-累加（32位结果） 无符号数长乘 无符号数长乘-累加 符号数长乘 符号数长乘-累加
SWI代表“软件中断”，用户可通过其调用系统例 程，又被称为监控调用。
它将处理器至于SVC监控模式，从0x08开始执行指 令。
指令格式与举例
BKPT用于产生软件断点，供调试程序使用。
用于软件调试，使处理器停止执行正常指令而进入 相应的调试程序。
6.4 Thumb指令
1. Thumb指令编码格式
回顾
第六章 ARM基本指令集与寻址介 绍
6.1 指令集的特征与功能 6.2 ARM寻址方式 6.3 ARM指令集编码格式 6.4 Thumb指令集
6.1 指令集的特征与功能
1 指令概念
机器指令（machine instruction） 指令集 （Instruction Set）
2. 机器指令要素
做何操作？
对谁做此操作？ 如何寻找被操作数据的寄
存器或存储器位置？
完成后到哪里去取下一个 操作？
3. 机器指令的表示方法—指令格式
指令格式有多 种表示形式： 定长，变长， 混合长度
对于32位RISC 处理器，一般 采用定长格式 的32位二进制 码。
4. 机器指令的表示方法
采用符号表示法来描述机器指令 e.g. ADD， SUB，Load，Store。
由编译器完成符号→二进制的转换
5. 指令类型
指令集必须充分，应允许用户表达任何处理任务，可 以表示任何高级语言的指令形式。
E.g.一行简单程序：
➢ X=X+Y ➢ 设:
X的内存位置513; Y的内存位置514;
1.将内存513位置的值放入寄存器reg_x； Load 2.将内存514的值放到另一寄存器reg_y； Load 3.将reg_y加到reg_x,将结果放入reg_x；ADD
Register-memory Register-Register
RISC采用 Register-Regiter （Load-Store）
6.2.2 ARM处理器的 寻址方式
1. 立即寻址
操作数直接通过指令 给出，数据包含在32 位指令编码中。
32位有效立即数通过 循环右移偶数位而间 接得到
MSR/MRS
PSW到GPRs的传送指令MRS； GPRs 到PSW的传送指令MSR； 修改PSW一般是通过“读-修改-写”3个步骤来完成。 不能通过该指令直接修改CPSR中的T位直接将程序
状态切换到Thumb状态，而是必须通过BX指令完 成状态切换。
4.4 异常中断产生指令
SWI指令用于产生SWI异常中断，可以实现在 用户模式下对OS中特权模式的程序调用。
7. 指令集设计的关键环节
指令集设计是计算机设计最有影响的方面
基本设计出发点
操作指令表
应提供多少和怎样的操作？
数据类型 指令格式 寄存器
对几种数据类型完成操作？ 8位字节？32位字？64位双字？
指令位长度，地址数目，各字段大小
寻址方式
CPU寄存器数目以及其用途
指定操作数产生的方式
8. 操作数类型