嵌入式：堆栈寻址、相对寻址与ARM指令总结

堆栈寻址

堆栈是一种数据结构，按先进后出（First In Last Out，FILO）的方式工作，使用一个称作堆栈指针（SP）的专用寄存器（R13）指示当前的操作位置，堆栈指针总是指向栈顶。

当堆栈指针指向最后压入堆栈的数据时，称为满堆栈（Full Stack），而当堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置时，称为空堆栈（Empty Stack）。

根据堆栈的生成方式，又可以分为递增堆栈（Ascending Stack）和递减堆栈（Decending Stack），当堆栈由低地址向高地址生成时，称为递增堆栈，当堆栈由高地址向低地址生成时，称为递减堆栈。

堆栈工作方式

这样就有四种类型的堆栈工作方式

• 满递增堆栈：堆栈指针指向最后压入的数据，且由低地址向高地址生成。
• 满递减堆栈：堆栈指针指向最后压入的数据，且由高地址向低地址生成。
• 空递增堆栈：堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由低地址向高地址生成。
• 空递减堆栈：堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由高地址向低地址生成

堆栈寻址的实现

（1）在ARM指令中，堆栈寻址是通过Load/Store指令来实现的，如：

STMFD  SP!,{R1-R7,LR} ;将R1-R7，LR入栈
    LDMFD  SP!,{R1-R7,LR}  ;数据出栈，放入R1-R7,LR

（2）在Thumb指令中，堆栈寻址通过PUSH/POP指令来实现，如：

PUSH   {R1-R7，LR} ;将R1-R7，LR入栈 
    POP    {R1-R7，PC} ;数据出栈，放入R1-R7,PC

相对寻址

与基址变址寻址方式相类似，相对寻址以程序计数器PC的当前值为基地址，指令中的地址标号作为偏移量，将两者相加之后得到操作数的有效地址。以下程序段完成子程序的调用和返回，跳转指令BL采用了相对寻址方式：

BL  NEXT      ；跳转到子程序
                     ； NEXT处执行
……              
NEXT
……              
MOV PC，LR   ；从子程序返回

ARM指令详细介绍

ARM指令集总体分为以下6类：

• 数据处理指令；
• Load/Store指令；
• 程序状态寄存器与通用寄存器之间的传送指令；
• 转移指令；
• 异常中断指令；
• 协处理器指令。

ARM 指令及功能描述

数据处理指令（22条）

助记符	指令功能描述
ADC	带进位加法指令
ADD	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
CMP	比较指令
CMN	负数比较指令
MUL	32位乘法指令
MLA	乘加运算指令
UMLL	无符号数长乘

助记符	指令功能描述
UMLAL	无符号数长乘累加
SMULL	有符号数长乘
SMLAL	有符号数长乘累加
AND	逻辑与指令
ORR	逻辑或指令
EOR	异或指令
BIC	位清零指令
TST	位测试指令
TEQ	相等测试指令
MOV	数据传送指令
MVN	数据取反传送指令

Load/Store指令（5条）

状态寄存器与通用寄存器之间的传送指令（2条）

转移指令（4条）

助记符	指令功能描述
LDR	存储器到寄存器的数据传输指令
STR	寄存器到存储器的数据传输指令
LDM	加载多个寄存器指令
STM	批量内存字写入指令
SWP	交换指令
MRS	传送CPSR或SPSR的内容到通用寄存器指令
MSR	传送通用寄存器到CPSR或SPSR的指令
B	跳转指令
BL	带返回的跳转指令
BX	带状态切换的跳转指令
BLX	带返回和状态切换的跳转指令

异常中断产生指令（3条）

协处理器指令（5条）

助记符	指令功能描述
SWI	软件中断指令
BKPT	端点指令
CLZ	前导0计数指令
CDP	协处理器数据操作指令
LDC	存储器到协处理器的数据传输指令
STC	协处理器寄存器写入存储器指令
MRC	从协处理器寄存器到ARM寄存器的数据传输指令
MCR	从ARM寄存器到协处理器寄存器的数据传输指令

参考文献：

孟祥莲．嵌入式系统原理及应用教程（第2版）[M]．北京：清华大学出版社，2017.