ARM处理器寄存器和汇编指令系统

1.ARM的处理器模式

ARM体系结构支持7种处理器模式，分别是：用户、FIQ、IRQ、管理、中止（abort）、未定义和系统模式。除了用户模式外，其余都称之为特权模式。除了用户和系统模式外，其余都称之为异常模式。

2.ARM的存储器组织

ARM处理器总共有37个寄存器：包括31个通用寄存器、包括程序计数器（PC）、和6个状态寄存器。这些寄存器在不同模式下，不能被同时看到，有些名称是重叠的。分为三类：不分组寄存器，分组寄存器和程序计数器

1）不分组寄存器R0~R7

所有的处理模式下、它们都是访问同一个寄存器，因此只有8个不分组寄存器。

2）分组寄存器R8~R14

每一个访问的物理寄存器取决于当前的处理器模式，有些是共用的，而有些事分离的。具体可以查询相关资料。

R13就是堆栈寄存器SP，而R14就是链接寄存器LR

3）程序计数器R15

在ARM状态PC的位[1:0]为0，而在Thumb状态，位[0]为0.

4）程序状态寄存器CPSR和程序状态保存寄存器SPSR

CPSR只有一个，代表了当前的程序状态。而每个异常模式都有独立的一个SPSR，用于保存CPSR的状态。

31  30  29  28                                 8  7  6  5    4    3   2   1   0 
2 N   Z  C    V           DNM(RAZ)              I  F  T   M4 M3  M2 M1 M0

3.ARM的常用汇编指令

1）基本寻址方式

包括有寄存器寻址、立即寻址、寄存器移位寻址、寄存器间寻址、变址寻址、多寄存器寻址、堆栈寻址、块复制寻址和相对寻址

2）条件执行

几乎所有的ARM指令都可以包含一个可选的条件码，句法中以{cond}来标识。可用的条件码如下面所示。几乎所有的ARM数据处理指令均可以根据执行结果来选择是否更新条件码标志，即在指令中包含后缀S。

 1操作码[31:28]      助记符后缀   标 志                  含义
 20000                 EQ             Z置位                 相等
 30001                 NE             Z清零                 不等
 40010                 CS/HS        C置位                 大于或等于（无符号>=）
 50011                 CC/LO        C清零                 小于（无符号<）
 60100                 MI             N置位                  负
 70101                 PL             N清零                  正或零
 80110                 VS            V置位                  溢出
 90111                 VC            V清零                  未溢出
101000                 HI            C置位且Z清零        大于（无符号>）
111001                 LS            C清零或Z置位        小于或等于（无符号<=）
121010                GE             N和V相同             带符号>=
131011                LT             N和V不同              带符号<
141100                GT            Z清零且N和V相同     带符号>
151101                LE             Z置位或N和V不同     带符号<=
161110                AL             任何                     总是（通常省略） 

3）存储器访问指令

3.1）LDR和STR（字与无符号字节）语法如下

op {cond} {B} {T} Rd, [Rn]
2op {cond} {B} Rd, [Rn, Flexoffset] {!}  //前索引偏移
3op {cond} {B} Rd, label
4op {cond} {B} {T} Rd, [Rn], Flexoffset //后索引偏移

其中：

op 是操作码即指令LDR或STR。

cond 就是上面所说的条件码，因此指令可以变成LDREQ或STRNE类似的名称，表示满足某些条件时该条指令才会执行。

B 可选后缀，表示传送Rd的最低有效字节，就是所谓的无符号字节传送，字节加载的时候是用'0'来扩展到32位的。

T 可选后缀，即使处理器是在特权模式下，存储系统也将访问看成是处理器在用户模式下。不能和前索引偏移一起使用。

Rd 用于加载或存储的ARM寄存器

Rn 存储器的基址寄存器。若指令是带写回的前索引或后索引（后索引都是写回的），则Rd和Rn不能相同

Flexoffset 加到Rn上的灵活的偏移量

label 程序相对偏移表达式。label必须是当前指令的+-4KB范围内

! 可选后缀，前索引写回标志，若Rn是R15，则不能用后缀!

Flexoffset的句法包括下面两种

 1#expr
 2{-} Rm {, shift} 
     - 是可选符号，表示从Rn中减去偏移量，否则是加
   expr 表达式，取值范围-4095~+4095的整数
   Rm 内含偏移量的寄存器。Rm不允许是R15
   shift Rm的可选移位方法，可以是下列形式的任何一种
       ASR n算术右移n位（1<=n<=32）
       LSL n逻辑左移n位（0<=n<=31）
       LSR n逻辑右移n位（1<=n<=32）
       ROR n循环右移n位（1<=n<=31）
       RRX 循环右移1位，带扩展

3.2）LDR和STR（半字和带符号字节）语法如下：

op {cond} type Rd, [Rn]
2op {cond} type Rd, [Rn, offset] {!}
3op {cond} type Rd, label
4op {cond} type Rd, [Rn], offset

其中：

type 必须是以下所列其中之一

    SH 对带符号半字（仅LDR）

    H 对无符号半字

    SB 对带符号字节（仅LDR）

label 程序相对偏移表达式。必须是当前指令+-255字节范围

offset 加在Rn上的偏移量，可以是以下两种形式之一

     #expr   //值为+-255范围内的整数。

     {-} Rm

3.3）LDR和STR（双字）加载两个相邻的存储器和存储两个相邻的寄存器，语法如下：

op {cond} D Rd, [Rn]
2op {cond} D Rd, [Rn, offset] {!}
3op {cond} D Rd, label
4op {cond} D Rd, [Rn], offset

其中：

Rd 加载或存储寄存器其中一个，另一个是R(d+1)。但Rd必须是偶数寄存器，且不能是R14。

Rn 除非指令为零偏移，或不带写回的前索引，否则Rn不允许与Rd和R(d+1)相同

offset 加在Rn上的偏移量

label 程序相对偏移表达式。必须是当前指令+-255字节范围

3.4）LDM和STM 加载多个寄存器或存储多个寄存器，可以传送R0~R15的任何组合

op {cond} mode Rn{!}, reglist{^}

其中：

mode是下列情况中之一：

    IA 每次传送后地址加1

    IB 每次传送前地址加1

    DA 每次传送后地址减1

    DB 每次传送前地址减1

    FD 满递减堆栈

    ED 空递减堆栈

    FA 满递增堆栈

    EA 空递增堆栈

Rn 基址寄存器，传送数据的初始地址。不允许是R15

! 可选后缀。若有!，则最后的地址写回Rn

reglist 加载或存储的寄存器列表 可以写出如下形式

      {R0, R2, R9}

      {R3-R6, R11, R12}

      {R0, R4-R7, LR}

3.4) SWP 在寄存器和存储器之间进行数据交换。

SWP {cond} {B} Rd, Rm, [Rn]

其中：

B 可选后缀。若有B，则是交换字节，否则交换字

Rd 数据从存储器加载到Rd

Rm Rm的内容存储到存储器。如果Rm和Rd的相同，则是交换寄存器和存储器的内容

Rn Rn的内容指定要进行数据交换的存储器的地址。 Rn必须和Rm和Rd不同

4）ARM数据处理指令

4.1）灵活的第二操作数，在数据处理指令中会经常出现第二操作数，即Operand2，它有如下的两种可能形式。

# immed_8r
2Rm{, shift}

其中：

immed_8r 取值为数字常量的表达式。常量必须对应8位位图在32位字中被循环移位偶数位(0,2,4,6,...,28,30)后的值

              合法的常量有：0xFF,0x104,0xFF0,0xFF000,0xF0000000F等

              非法的常量有：0x101,0x102,0xFF1,0xFF04等

Rm   存储第二操作数数据的寄存器，可以用各种方法对寄存器中的位图进行移位或循环移位，操作结果用于Operand2

       但Rm本身不改变。

shift  对Rm的可选移位方法，可以是以下方法的任何一种

       ASR n算术右移n位（1<=n<=32）
       LSL n逻辑左移n位（0<=n<=31）
       LSR n逻辑右移n位（1<=n<=32）
       ROR n循环右移n位（1<=n<=31）
       RRX 循环右移1位，带扩展

         type Rs 其中type为上面ASR、LSL、LSR、ROR中的一种；Rs为提供移位量的寄存器，仅使用最低有效字节

4.2）ADD、SUB、RSB、ADC、SBC和RSC

op {cond} {S} Rd, Rn, Operand2

其中：

op    是上面众多指令中的一个

S      可选后缀，会根据结果来更新条件码标志

Rd     结果寄存器

Rn     保存第一操作数的寄存器

Operand2   第二操作数

 

ADD 表示Rn加Operand2的值存到Rd

SUB 表示Rn减去Operand2

RSB 表示Operand2减去Rn

ADC 将Rn和Operand2相加后再加上进位标志

SBC 从Rn的值中减去Operand2的值，若进位标志是清零的，则结果减去1

RSC 从Operand2中减去Rn的值，若进位是清零的，则结果减去1

4.3）AND、ORR、EOR和BIC

op {cond} {S} Rd, Rn, Operand2

其中：AND是与、ORR是或、EOR是异或和BIC是位清零

都是Rn和Operand2中的值做处理，然后结果保存在Rd中

BIC 用于将Rn中的位于Operand2中相应位的反码，进行与操作。

4.3）MOV和MVN 传送与传送非

MOV {cond} {S} Rd,Operand2
2MVN {cond} {S} Rd,Operand2

MOV将Operand2中的值拷贝到Rd中

而MVN将Operand2的值进行按位逻辑非之后再传送到Rd

4.4）CMP和CMN 比较与比较反值

CMP {cond} Rn, Operand2
2CMN {cond} Rn, Operand2

CMP比较大小，从Rn中减去Operand2的值，但丢弃结果，更新标志位，指令的主要目的是更新标志位

CMN是将Rn和Operand2相加，丢弃结果再更新标志位。

4.5）TST和TEQ 测试和测试相等

TST {cond} Rn, Operand2
2TEQ {cond} Rn, Operand2

TST对Rn和Operand2的值进行按位与操作，更新标志位，丢弃结果

TEQ对Rn和Operand2的值进行异或操作，更新标志位，丢弃结果

4.6）CLZ 前导零计数

CLZ {cond} Rd, Rm

Rd 结果寄存器，不允许是R15

Rm 操作数寄存器。CLZ对Rm中的前导零的个数进行计数，结果放在Rd中，若Rm全为0，则结果为32

     若位[31]是1，则结果为0

4.7）MUL和MLA 乘法和乘加运算

MUL {cond} {S} Rd,Rm,Rs
2MLA {cond} {S} Rd,Rm,Rs,Rn

其中：

Rd    结果寄存器，不能使R15

Rm,Rs,Rn  操作寄存器，不能是R15，Rd不能和Rm相同

MUL   将Rm和Rs相乘，并将最低有效32位结果放在Rd中

MLA   将Rm和Rs相乘，再加上Rn的值，将最低有效32位结果放在Rd中

4.8）UMULL、UMLAL、SMULL和SMLAL 无符号和带符号长整数乘法和乘加，结果是64位

op {cond}{S} RdLo,RdHi,Rm,Rs

其中：

RdLo和RdHi  是结果寄存器

Rm和Rs  是操作数寄存器

UMULL 将Rm和Rs中的值解释为无符号整数。将两数相乘，并将结果的最低32位放RdLo中，高32位放RdHi中

UMLAL 将Rm和Rs中的值解释为无符号整数。将两数相乘，并将结果加回到RdLo和RdHi的64位无符号整数上。

SMULL 将Rm和Rs中的值解释为有符号补码整数。将两数相乘，并将结果的最低32位放RdLo中，高32位放RdHi中

SMLAL 将Rm和Rs中的值解释为有符号补码整数。并将结果加回到RdLo和RdHi的64位无符号整数上。

5）ARM转移指令

5.1）B和BL 跳转指令

B {cond} label
2BL {cond} label

其中：

label  是程序相对偏移表达式。两条指令都会令程序转移到label上，而BL还会将原来的下一条指令地址保存在R14上

6）ARM协处理指令

7）其他指令

7.1）SWI 软件中断

7.2）MRS   将CPSR或SPSR的内容保存到寄存器中

MRS {cond} Rd,psr

其中：

Rd 目标寄存器，Rd不允许为R15

psr CPSR或SPSR

7.3）MSR   将立即数或通用寄存器的内容加载到CPSR或SPSR的指定区域

MSR {cond} <psr>_<fields>,#immed_8r
2MSR {cond} <psr>_<fields>,Rm

其中：

psr 即是CPSR或SPSR

fileds是制定传送区域，可以是

      c   控制域屏蔽字节（PSR[7:0])

      x   扩展域屏蔽字节（PSR[15:8])

      s   状态域屏蔽字节（PSR[23:16])

      f    标志域屏蔽字节（PSR[31:24])

8）伪指令

8.1）ADR 将程序的相对偏移或寄存器相对偏移地址加载到寄存器中

ADR {cond} register,expr

其中：

register  是加载的寄存器

expr   是程序相对偏移或寄存器相对偏移表达式，取值可以是

         非字节对齐地址-255~255

         字节对齐地址-1020~1020

请注意，这条指令是用来获取相对偏移地址的。

即是用当前PC的值，去减去某一个适当的值（编译器自动计算），从而得到expr这个标号的相对地址，将这个标号的相对于当前pc的偏移地址存储到register中。正是因为这样，这条指令才是一条伪指令，这样的好处是可以绕过程序入口地址的影响，而始终能跳转到准确的地址，因为B这样的跳转指令是跳转到绝对地址上的，而ADR可以获取到一个相对于当前PC的地址，所以用处非常大。

8.2）LDR 用常量或地址加载寄存器

LDR {cond} register,=[expr | label-expr]

其中：

register   加载寄存器

expr   赋值成数字常量

label-expr   程序相对偏移或外部表达式

汇编器可自动识别数字常量，从而完成对register赋值的操作。