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ARM指令集如何應用

ARM指令也稱ARM匯編指令集，是用來操作及控制ARM處理器及其相關設備的32bit的匯編指令，相對于16bit的thumb指令集而言功能更加強大，包含指令與偽指令。現(xiàn)將常用指令歸納匯總如下：

一、指令、偽指令

指令：是機器碼的助記符，經(jīng)過匯編器編譯為機器碼后，可以由CPU執(zhí)行。

偽指令：用來指導匯編器編譯指令，是匯編器的產(chǎn)物，最終不會生成機器碼。

二、ARM指令的編寫風格

匯編代碼大寫：在Windows中的IDE開發(fā)環(huán)境中一般都大寫。

匯編代碼小寫：在Linux環(huán)境中，最好遵循GNU風格，即指令一般用小寫。

三、ARM匯編代碼文件后綴的大小寫問題

Windows環(huán)境：因為Windows不區(qū)分大小寫，所以匯編文件后綴大寫、小寫編譯過程沒有區(qū)別，即test.S與test.s編譯結果一致。

Linux環(huán)境：Linux環(huán)境是嚴格區(qū)分大小寫的，test.S與test.s會被當成不同的文件來處理(處理過程也不一致)。后綴小寫的test.s文件，在編譯階段不進行預處理操作，所以不能在這里面寫預處理的語句(不能有宏定義等，不常用);后綴大寫的test.S文件，會進行預處理、匯編等操作，所以我們可以在這里面加入預處理的命令(比較常用)。

四、ARM匯編指令的格式

ARM匯編指令的格式比較固定、簡單，即是：“操作碼目標寄存器，操作數(shù)1，操作數(shù)2，……操作數(shù)n”。

例如將十六進制數(shù)0xaf放到寄存器r0中，我們用匯編代碼可以這樣寫“mov r0,#0xaf”。這里的“mov”就是操作碼(指令)，實現(xiàn)的功能是將“0xaf”這個數(shù)存放到寄存器中“r0”中，“r0”也即是目標寄存器，“#0xaf”也即是操作數(shù)。在這里，“#0xaf”表示立即數(shù)(立即尋址方式指令中給出的數(shù)稱為立即數(shù)立即數(shù)，亦即是直接參與運算不需處理的數(shù))，立即數(shù)需要用“#”來標識。

五、ARM指令分類

ARM指令可以分為程序狀態(tài)寄存器操作指令、寄存器裝載與存儲指令、算術與邏輯指令、移位指令、乘法指令、比較指令、分支指令、浮點數(shù)指令、偽指令。

1、程序狀態(tài)寄存器操作指令

程序狀態(tài)寄存器操作指令包含msr、mrs兩個指令。

(1)msr實現(xiàn)將通用寄存器(r0-r15)的值復制到狀態(tài)寄存器(cpsr及spsr)中，用于更改處理器的工作模式及狀態(tài)。例如，

MSR CPSR, R0 ;復制 R0 到 CPSR 中

MSR SPSR, R0 ;復制 R0 到 SPSR 中

(2)mrs實現(xiàn)將狀態(tài)寄存器(cpsr及spsr)的值復制到通用寄存器(r0-r15)中，用于讀取處理器的工作模式及狀態(tài)。例如，

MRS R0, CPSR ; 復制 CPSR 到 R0 中

MRS R0, SPSR ; 復制 SPSR 到 R0 中

2、寄存器裝載與存儲指令

常用寄存器裝載與存儲指令操作指令包含ldr、str、ldm、stm四個指令，其中l(wèi)dm、stm可以實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)的傳輸。

(1)ldr實現(xiàn)將所在內(nèi)存地址的值裝載到寄存器中。

ldr rd, [rbase] ;rbase的值存儲到rd寄存器

(2)str實現(xiàn)將寄存中的值存儲在相應內(nèi)存地址中。

str rd, [rbase] ;存儲 rd 到 rbase 所包含的有效地址

(3)ldm實現(xiàn)將內(nèi)存的值存儲在相應寄存器地址中。常用于數(shù)據(jù)出棧。

ldmfd sp!, {r0-r3} ;將內(nèi)存的數(shù)據(jù)出棧到r0-r3

(4)stm實現(xiàn)將寄存中的值存儲在相應內(nèi)存地址中。常用于數(shù)據(jù)入棧。

stmfd sp, {r0-r3} ;將寄存器r0-r3壓棧

3、算術與邏輯指令

常用算術與邏輯指令包含and、orr、eor三個邏輯指令和adc、add、bic、mov、mvn、rsb、sub六個算術指令，共計九個指令。

(1)and實現(xiàn)邏輯與，相當于c語言中的位與。

and r0, r1, #0x01 ; r0=r1 & 0x01

(2)orr實現(xiàn)邏輯或，相當于c語言中的位或。

orr r0, r1, #0x01 ; r0=r1 | 0x01

(3)eor實現(xiàn)異或，相當于c語言中的異或。

eor r0, r1, #0x01 ; r0=r1 ^ 0x01

(4)bic實現(xiàn)清零操作。

bic r0, r0, #0x0f ; r0 = r0 & ~(0x0f)技術將低4bit清零

(5)mov實現(xiàn)數(shù)據(jù)的搬移，相當于c語言中的賦值(如果后面是立即數(shù)，這個立即數(shù)的范圍一般是0~255(8bit))。

mov r0,#0x01 ; r0 = 0x01

mov r0,r1 ; r0 = r1

(6)mvn實現(xiàn)數(shù)據(jù)的取反并搬移，相當于c語言的取反在賦值。

mvn r0,#1 ; r0 = (~1) = -2

mvn r0,r1 ; r0 = (~r1) = -(r1 + 1)

(7)rsb實現(xiàn)反向減法。

rsb r0, r1, #20 ; r0 = 20 - r1

rsb r0, r1, r2 ; r0 = r2 - r1

(8)add實現(xiàn)算術加法。

add r0, r1, #0x01 ; r0 = r1 + 0x01

(9)sub實現(xiàn)算術減法。

sub r0, r1, #0x01 ; r0=r1 - 0x01

4、移位指令

移位指令包含lsl、asl兩個左移指令和lsr、asr、ror、rrx四個右移指令，共計六個指令。

(1)lsl實現(xiàn)邏輯左移，與asl作用等同。

mov r1, #0x21 ;將立即數(shù)0x21放到r1

mov r0, r1, lsl#3 ;將r1左移3位，然后放入r0中

(2)asl實現(xiàn)算術左移，與lsl作用等同。

mov r1, #0x21 ;將立即數(shù)0x21放到r1

mov r0, r1, asl#3 ;將r1左移3位，然后放入r0中

(3)lsr實現(xiàn)邏輯右移。

mov r1, #0x21 ;將立即數(shù)0x21放到r1

mov r0, r1, lsr#3 ;將r1右移3位，然后放入r0中

(4)asr實現(xiàn)算術右移。

mov r1, #0x21 ;將立即數(shù)0x21放到r1

mov r0, r1, asr#3 ;將r1右移3位，然后放入r0中

(5)ror實現(xiàn)循環(huán)右移。

mov r1, #0x21 ;將立即數(shù)0x21放到r1

mov r0, r1, ror#3 ;將r1右移3位,移出的位放依次放到高位，然后放到r0中

(6)rrx實現(xiàn)帶擴展的循環(huán)右移

mov r1, #0x21 ;將立即數(shù)0x21放到r1

mov r0, r1, rrx#3 ;將r1右移3位，移出的位放依次放到高位(借一位構成33bit)，然后放到r0中

5、乘法指令

乘法指令操作指令包含mla、mul兩個指令。

(1)mla是三目乘法指令(有三個操作數(shù))。例如:

mla r0, r1,r2,r3 ;r0 = (r1 * r2) + r3

(2)mul是兩目乘法指令(有兩個操作數(shù))。例如:

mul r0, r1, r2 ;r0 = r1 * r2

6、比較指令

常用比較指令包含cmp、cmn兩個指令。

(1)cmp實現(xiàn)比較功能，例如,cmp r0, r1 ;r0-r1

(2)cmn實現(xiàn)取負的值的比較功能，例如,cmn r0, r1 ;r0-(-r1)

7、分支指令

分支指令包含b、bl兩個指令。

(1)b為不帶連接的分支指令，當程序從當前位置調(diào)到分支程序中執(zhí)行，將無法再返回到當前位置的下一條指令處。例如:

.start

.loop

mov r0,#0x01 ;將0x01加載到r0寄存器

…………

b loop ; ;調(diào)到loop

mov r1,#0x01 ;將0x01加載到r1寄存器

程序?qū)⒁恢痹趌oop這里循環(huán)(相當于while循環(huán))，“mov r1,#0x01”永遠得不到執(zhí)行。

(2)bl為帶連接的分支指令(branch and link)，跳轉前把返回地址放入lr中，以便用于函數(shù)調(diào)當程序從當前位置調(diào)到分支程序中執(zhí)行，執(zhí)行完分支程序?qū)⒃俜祷氐疆斍拔恢玫南乱粭l指令處繼續(xù)執(zhí)行。例如:

.start

.loop

mov r0,#0x01 ;將0x01加載到r0寄存器

…………

bl loop ;調(diào)到loop

mov r1,#0x01 ;將0x01加載到r1寄存器

程序執(zhí)行完loop后調(diào)到下一行的“mov r1,#0x01”處執(zhí)行。

8、浮點數(shù)指令

浮點數(shù)指令很多，常用指令有abs、cmf、dvf、mvf、muf、ldf、suf、adf幾個指令，用于處理浮點數(shù)的加載、加、減、乘、除。

9、偽指令

偽指令操作指令包含adr、adrl、align、dcx、equx、opt六個指令，用于描述指定匯編代碼的對齊方式、宏定義等。

六、常用GNU偽指令

global _start @ 給_start外部鏈接屬性

.section .text @ 指定當前段為代碼段

.ascii .byte .short .long .word

.quad .float .string @ 定義數(shù)據(jù)

.align 4 @ 以4字節(jié)對齊

.balignl 16 0xabcdefgh @ 16字節(jié)對齊填充

.equ @ 類似于C中宏定義

.end @標識文件結束

.include @ 頭文件包含

.arm / .code32 @聲明以下為arm指令

.thumb / .code16 @聲明以下為thubm指令

ldr 大范圍的地址加載指令

adr 小范圍的地址加載指令

adrl 中等范圍的地址加載指令

nop 空操作

七、常用的8種尋址方式的指令實現(xiàn)

1、寄存器尋址

寄存器尋址就是利用寄存器中的數(shù)值作為操作數(shù)，是一種執(zhí)行效率較高的尋址方式。例如:

mov r1, r2 ;r1 = r2

2、立即(立即數(shù))尋址

立即尋址也叫立即數(shù)尋址，這是一種特殊的尋址方式，操作數(shù)本身就是在指令中給出，只要取出指令也就渠道了操作數(shù)。這個操作數(shù)被稱為立即數(shù)，對應的尋址方式也叫作立即尋址。例如:

mov r0, #0xff00 ; r0 = 0xff00

3、寄存器移位尋址

將寄存器(該寄存器一般稱作基址寄存器)的內(nèi)容與指令中給出的地址偏移量相加，從而得到一個操作數(shù)的有效地址。例如:

mov r0, r1, lsl #3 ; r0 = r1 << 3

4、寄存器間接尋址

寄存器間接尋址就是以寄存器中的值作為操作數(shù)的地址，而操作數(shù)本身存放在存儲器中。例如:

ldr r0, [r1] ;將內(nèi)存地址存在r1這個寄存器中的內(nèi)存地址里的值給r0

5、基址尋址

基址尋址就是將基址寄存器的內(nèi)容與指令中給出的偏移量相加，形成操作數(shù)的有效地址。常用于查表、數(shù)組操作、功能部件寄存器訪問等。例如:

LDRR2,[R3,#0x0C];讀取R3+0x0C地址上的內(nèi)容，放入R2

6、塊拷貝尋址

多寄存器傳送指令用于將一塊數(shù)據(jù)從存儲器的某一位置拷貝到另一位置。例如,

STMIAR0!,{R1-R7} ;將R1~R7的數(shù)據(jù)保存到存儲器中

7、多寄存器尋址

利用一條指令可以完成多個寄存器值的傳送。這種尋址方式可以用一條指令完成傳送最多16個通用寄存器的值

ldmia r1!, {r2-r7, r12} ;一次訪問多個寄存器

8、堆棧尋址

堆棧是一種數(shù)據(jù)結構，按先進后出的方式工作，使用一個稱作堆棧指針的專用寄存器指示當前的操作位置，堆棧指針總是指向棧頂。例子，

stmfd sp!, {r2-r7, lr}

八、常用指令后綴

同一指令經(jīng)常附帶不同后綴，變成不同的指令。經(jīng)常使用的后綴有：

1、B(byte)功能不變，操作長度變?yōu)?位

2、H(half word)功能不變，長度變?yōu)?6位

3、S(signed)功能不變，操作數(shù)變?yōu)橛蟹��?/p>

4、條件執(zhí)行后綴

5、“!”與“^”的作用

例如ldr可以加“b”、“h”、“s”變成 ldrb、ldrh、ldrsb、ldrsh用于表示加載8bit數(shù)據(jù)、16bit數(shù)據(jù)、有符號8bit數(shù)據(jù)、有符號16bit數(shù)據(jù)。

條件執(zhí)行后綴，可以參看下表例。特點是條件后綴是否成立取決于當前代碼的前面的代碼，只影響當前代碼的執(zhí)行。

感嘆號的作用就是r0的值在ldm過程中發(fā)生的增加或者減少最后寫回到r0去，也就是說ldm時會改變r0的值。例如，

ldmia r0, {r2 - r3} ;不會改變r0的值

ldmia r0!, {r2 - r3} ;會改變r0的值

^的作用是在目標寄存器中有pc時，會同時將spsr寫入到cpsr，一般用于從異常模式返回。

ldmfd sp!, {r0 - r6, pc} ;spsr不會寫入到cpsr

ldmfd sp!, {r0 - r6, pc}^ ;spsr寫入到cpsr

九、ARM指令應用舉例

這里就ARM應用舉一個例子，使用ARM指令操作最簡單的硬件(點亮LED燈)。FS210開發(fā)板LED燈如下圖所示，

要想控制這些器件，我們需要查看其對應的原理圖。LED原理圖如下

從原理圖上可知，要想點亮兩顆led燈，只需給GPC0_3及GPC0_4高電平即可。

打開S5PV210用戶手冊，找到GPIO章節(jié)的數(shù)據(jù)寄存器與控制寄存器的描述。結合GPIO寄存器的描述編寫匯編程序。

#define GPC0_CON 0XE0200060 ;定義GPC0控制寄存器地址

#define GPC0_DAT 0XE0200064 ;定義GPC0數(shù)據(jù)寄存器地址

ldr r0,=GPC0_CON ;將GPC0_CON加載到r0

ldr r1,=0x11000 ;將0x11000加載到r1

str r1,[r0] ;將r1的值加載到r0寄存器

ldr r0,=GPC0_DAT ;將GPC0_DAT加載到r0

mov r1,#0x18 ;將立即數(shù)0x18加載到r1

str r1,[r0] ;將r1的值加載到r0寄存器

stop:

b stop ;死循環(huán)(相當于while(1))

交叉編譯并下載到FS210開發(fā)板上運行，LED燈被點亮。