ARM的指令集

举例

LDR R0，[R1，#4] LDR R0，[R1，#4]！ LDR R0，[R1 ] ，#4 LDR R0，[R1，R2] LDR R0，[R1，R2，LSL，#2] LDRB R0，[R1] LDRH R1，[R0，#20]
半字传送： R1 ←Mem16[R0+20]
指定操作数产生的方式
8. 操作数类型

地址

无符号整数32位 整数或定点数 浮点数 十进制数 BCD（Binary Coded Decimal） ASCII码

数值


字符


逻辑数据
9. 操作类型
典型分类 CPU动作
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 指令举例
数据传送

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。
1.将内存513位置的值放入寄存器reg_x； Load
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;
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）

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。



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 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。
LDR|STR {<cond>} {B} Rd, LABEL
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
LDR/STR 举例
4.2.2 多寄存器存取指令

LDM/STM


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


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。


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

举例
BL SUBR
转移到SUBR
。。。。。。 SUBR MOV PC，R14
之间的相对位置。
子程序入口 地址 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
ADD、ADC、SUB、RSB、SBC； MOV、MVN； AND、ORR、EOR、BIC；CMP、CMN；TST、TEQ； MUL、MLA、UMULL、UMLAL、SMULL、SMLAL

32位有效立即数通过 循环右移偶数位而间 接得到

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
时，可以选择对第二操

ADD R3，R2，R1，LSR R4
作数进行移位


6. 块拷贝寻址

是多寄存器传送指令 LDM/STM的寻址方式， 可以把内存中的数据块

举例

STMIA R9！,(R0,R1,R5) STMIB R9！,(R0,R1,R5) STMDA R9！,(R0,R1,R5) STMDB R9！,(R0,R1,R5)
加载到多个寄存器中去。

LDM/STM根据其后缀名， 其寻址方式有所不同 LDM/STM的后缀选择
算术
Load，Store，Push， Pop
Add，Sub，Mul， Div
逻辑
I/O
同算术指令
向I/O模块发出命令
AND，OR，NOT， Shift
Read，Write
系统控制
控制传递
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，
LSL，LSR，ASL， ASR，ROR，RRX
3. 寄存器间接寻址

ARM的数据传送指令都 是基于寄存器间接寻址， 通过Load/Store完成对

举例

LDR R0，[R1] STR R0，[R1]
数据的操作。
R0 ← mem32[R1]
R0 → mem32[R1]
4. 基址加偏址寻址（变址寻址）

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

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。



寄存器间接寻址实际是偏移 量为0的基址加偏址寻址
字节传送： R0 ←Mem8[R1]

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 指向堆栈的地址寄存器 成为堆栈指针（SP） 对堆栈的访问通过堆栈 指针R13指向堆栈区域来 实现

举例

STMFD SP！{R1-R7，LR} LDMFD SP！{R1-R7，LR}

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
B=0为传送字

指令格式


来自百度文库

前变址： LDR|STR {<cond>} {B} Rd,[Rn，<offset>] {!} 后变址 LDR|STR {<cond>} {B} {T} Rd,[Rn]，<offset> T标志位只能在非用户 相对PC变址
源操作数引用
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？
结果操作数引用
下一指令引用
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

LDR R0，[R1]
BEQ DATAEVEN
ADDS R2，R1，#1
SUBNES
R2，R1，#0x20
N
Z
C
V
……
I
F
T
M4 M3
M2
M1
M0
4. 数据处理指令
数 1.算术运算指令 据 处 2.逻辑运算指令 理
3. 比较指令 4.测试指令 5. 乘法指令 6. 数据传送指令
ADD、 SUB、 ADC、SBC 、 RSB、RSC ； AND、ORR、EOR、BIC； CMP、CMN； TST、TEQ； MUL、MLA、UMULL、UMLAL、SMULL、SMLAL MOV、MVN；

BKPT用于产生软件断点，供调试程序使用。

6.4 Thumb指令
1. Thumb指令编码格式
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；
2. 机器指令要素

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
取操作数
存操作数
多操 作数 指令地址 计算 指令译码 操作数 地址 计算 数据操作
多结果 操作数 地址 计算
CPU内部 操作
指令完成取 下一条
2. 机器指令要素
做何操作？

操作码 （opcode）
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、 乘（32位结果） 乘-累加（32位结果） 无符号数长乘
Rd ← （Rm*Rs）[31：0] Rd ← （Rm*Rs+Rn）[31：0]
10. 汇编语言 －举例

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：


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。

举例

ADD R0，R0，#1 AND R8，R7，#0xFF MOV R1，#0x00012800
3. 基本指令格式
<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn> {,<operand2>}
指令助记符
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
可选条件码； 指令执行条件
3. 基本指令格式举例
条件执行减法： 读取R1地址上的 R2 ←R1 -0x20； 内容，执行条件 加法指令： 执行条件 NE，影 AL （总是） 条件执行分支指令， R2 ←R1+1 响CPSR的标志位 ； 执行条件 ， 影响 CPSREQ 的标志 即相等则跳转 位
RdHi：RdLo ← Rn * Rs
UMLAL、
SMULL、 SMLAL
无符号数长乘-累加
符号数长乘 符号数长乘-累加
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。
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
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
数据处理
数据传送
LDR、STR(单寄存器存取)； LDM、STM（多寄存器存取）；SWP(信号量）
状态寄存器访问 MRS、MSR
分支指令 异常产生 协处理器
B、BL；BX、BLX； 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

将基址寄存器的内容与指令 中给出的偏移量相加，形成 存储器的有效地址，用于访 问基址附近的存储器单元。 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
前变址： 自动变址：后变址： R0 ←Mem32[R1+4]； R0 ←Mem32[R1+4 ]； R0 ←Mem32[R1] ； R1←R1+4 R1 ←R1+4；
AND，OR，NOT，Shift Read，Write SWI（软中断），BKPT Jump，Return，NOP，
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 应提供多少和怎样的操作？


操作指令表 数据类型 指令格式 寄存器 寻址方式
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 CPU寄存器数目以及其用途