ARM处理器寄存器和汇编指令系统

时间:2022-07-26 18:42:41

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。

1 ARM处理器寄存器和汇编指令系统31  30  29  28                                 8  7  6  5    4    3   2   1   0 
2 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 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 ARM处理器寄存器和汇编指令系统操作码[ 31 : 28 ]      助记符后缀   标 志                  含义
 2 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 0000                  EQ             Z置位                 相等
 3 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 0001                  NE             Z清零                 不等
 4 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 0010                  CS / HS        C置位                 大于或等于(无符号 >=
 5 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 0011                  CC / LO        C清零                 小于(无符号 <
 6 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 0100                  MI             N置位                  负
 7 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 0101                  PL             N清零                  正或零
 8 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 0110                  VS            V置位                  溢出
 9 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 0111                  VC            V清零                  未溢出
10 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 1000                  HI            C置位且Z清零        大于(无符号 >
11 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 1001                  LS            C清零或Z置位        小于或等于(无符号 <=
12 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 1010                 GE             N和V相同             带符号 >=
13 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 1011                 LT             N和V不同              带符号 <
14 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 1100                 GT            Z清零且N和V相同     带符号 >
15 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 1101                 LE             Z置位或N和V不同     带符号 <=
16 ARM处理器寄存器和汇编指令系统 1110                 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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统op {cond} {B} {T} Rd, [Rn]
2ARM处理器寄存器和汇编指令系统op {cond} {B} Rd, [Rn, Flexoffset] {!}  //前索引偏移
3ARM处理器寄存器和汇编指令系统op {cond} {B} Rd, label
4ARM处理器寄存器和汇编指令系统op {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

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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统op {cond} type Rd, [Rn]
2ARM处理器寄存器和汇编指令系统op {cond} type Rd, [Rn, offset] {!}
3ARM处理器寄存器和汇编指令系统op {cond} type Rd, label
4ARM处理器寄存器和汇编指令系统op {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:

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统op {cond} D Rd, [Rn]
2ARM处理器寄存器和汇编指令系统op {cond} D Rd, [Rn, offset] {!}
3ARM处理器寄存器和汇编指令系统op {cond} D Rd, label
4ARM处理器寄存器和汇编指令系统op {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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统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。

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统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。

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统# immed_8r
2ARM处理器寄存器和汇编指令系统Rm{, 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

   ARM处理器寄存器和汇编指令系统    ASR n算术右移n位(1<=n<=32)
   ARM处理器寄存器和汇编指令系统    LSL n逻辑左移n位(0<=n<=31)
  ARM处理器寄存器和汇编指令系统     LSR n逻辑右移n位(1<=n<=32)
   ARM处理器寄存器和汇编指令系统    ROR n循环右移n位(1<=n<=31)
   ARM处理器寄存器和汇编指令系统    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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统MOV {cond} {S} Rd,Operand2
2ARM处理器寄存器和汇编指令系统MVN {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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统CMP {cond} Rn, Operand2
2ARM处理器寄存器和汇编指令系统CMN {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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统TST {cond} Rn, Operand2
2ARM处理器寄存器和汇编指令系统TEQ {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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统MUL {cond} {S} Rd,Rm,Rs
2ARM处理器寄存器和汇编指令系统MLA {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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统B {cond} label
2ARM处理器寄存器和汇编指令系统BL {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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统MSR {cond} <psr>_<fields>,#immed_8r
2ARM处理器寄存器和汇编指令系统MSR {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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统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

1ARM处理器寄存器和汇编指令系统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。