第2章 ARM体系结构(指令系统)

嵌入式系统与开发第2章ARM体系结构2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林22020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林22020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林2本章内容ARM微处理器结构ARM体系结构简介ARM微处理器的寄存器结构ARM微处理器的异常处理ARM的存储器结构ARM微处理器指令系统ARM微处理器的接口ARM微处理器指令系统ARM指令概述1基本寻指方式2ARM指令基本格式3ARM指令集4Thumb指令集52020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林4ARM指令集系统概述32位ARM指令集和相关译码机制非常简洁高效ARMV4版中增加了16位Thumb指令集2003年后出现了更高性能的Thumb-2指令集ARM指令集效率高，但是代码密度低Thumb指令集具有较高的代码密度，却仍然保持ARM的大多数性能上的优势，它是ARM指令集的子集所有的ARM指令都可以条件执行，而Thumb指令仅有一条指令条件执行ARM程序和Thumb程序可相互调用，相互之间的状态切换开销几乎为零2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林5ARM指令集系统概述ARM支持3种数据类型字节、半字、字字必须4个字节边界对齐,半字必须2个字节边界对齐新版本增加指令，并保持指令向后兼容Load-store结构load/store：从存储器中读某个值，操作完后再将其放回存储器中只对存放在寄存器的数据进行处理对于存储器中的数据，只能使用load/store指令进行存取2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林6ARM汇编语言基本格式要求不同的汇编语言开发环境或汇编器对格式有不同的要求，以下以ADS为例;错误的例子STARTMOVR0，#1ABC:MOVR1，#2MOVR2，#3loopMovR2，#3BLoop;正解的例子STARTMOVR0，#1ABCMOVR1，#2MOVR2，#3LOOPMOVR2，#3BLOOPARM微处理器指令系统ARM指令概述1基本寻指方式2ARM指令基本格式3ARM指令集4Thumb指令集5ARM处理器寻址方式寻址方式是根据指令中给出的地址码字段来实现寻找真实操作数地址的方式ARM处理器具有9种基本寻址方式2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林81寄存器寻址2立即寻址3寄存器移位寻址4寄存器间接寻址5基址寻址6多寄存器寻址7堆栈寻址8块拷贝寻址9相对寻址2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林9SUBR0,R1,R2;将R1的值减去R2的值，结果保存到R0操作数的值在寄存器中，指令中的地址码字段指出的是寄存器编号，指令执行时直接取出寄存器值来操作。寄存器寻址指令举例如下：MOVR1,R2;将R2的值存入R10xAA0x55R2R1寻址方式分类——寄存器寻址MOVR1,R20xAA0xAA0x55R1R0SUBR0,R1,R20xA0R20x0AARM处理器寻址方式2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林10立即寻址指令中的操作码字段后面的地址码部分即是操作数本身，也就是说，数据就包含在指令当中，取出指令也就取出了可以立即使用的操作数(这样的数称为立即数)。立即寻址指令举例如下：SUBSR0,R0,#1;R0减1，结果放入R0，并且影响标志位MOVR0,#0xFF00;将立即数0xFF00装入R0寄存器0x55R0MOVR0,#0xFF00程序存储寻址方式分类——立即寻址MOVR0,#0xFF000xFF00从代码中获得数据ARM处理器寻址方式2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林11寄存器移位寻址是ARM指令集特有的寻址方式。当最后一个操作数是寄存器移位方式时，此操作数在与前面操作数结合之前，首先进行移位操作。寄存器移位寻址指令举例如下：MOVR0,R2,LSL#3;R2的值左移3位，结果放入R0，;即是R0=R2×8ANDSR1,R1,R2,LSLR3;R2的值左移R3位，然后和R1相;“与”操作，结果放入R10x55R0R20x01寻址方式分类——寄存器移位寻址MOVR0,R2,LSL#30x080x08逻辑左移3位ARM处理器寻址方式2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林12寄存器间接寻址指令中的地址码给出的是一个通用寄存器的编号，所需的操作数保存在寄存器指定地址的存储单元中，即寄存器为操作数的地址指针。寄存器间接寻址指令举例如下：LDRR1,[R2];将R2指向的存储单元的数据读出;保存在R1中SWPR1,R1,[R2];将寄存器R1的值和R2指定的存储;单元的内容交换0x55R0R20x400000000xAA0x40000000寻址方式分类——寄存器间接寻址LDRR0,[R2]0xAAARM处理器寻址方式2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林13基址寻址就是将基址寄存器的内容与指令中给出的偏移量（4K）相加/减，形成操作数的有效地址。基址寻址用于访问基址附近的存储单元，常用于查表、数组操作、功能部件寄存器访问等。寄存器间接寻址是偏移量为0的基址寻址。基址寻址指令举例如下(前索引寻址)：LDRR2,[R3,#0x0C];读取R3+0x0C地址上的存储单元;的内容，放入R2STRR1,[R0,#-4]!;先R0=R0-4，然后把R1的值寄存;到保存到R0指定的存储单元寻址方式分类——基址寻址0x55R2R30x400000000xAA0x4000000CLDRR2,[R3,#0x0C]0xAA将R3+0x0C作为地址装载数据0x55R2R30x400000000xAA0x4000000CLDRR2,[R3,#0x0C]!0xAA将R3+0x0C作为地址装载数据0x4000000CARM处理器寻址方式2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林14基址寻址指令举例如下：LDRR0,[R1],#4;R0=[R1]，R1＝R1＋4;后索引基址寻址;ARM这种自动索引机制不消耗额外的时间LDRR0，[R1,R2];R0=[R1+R2]寻址方式分类——基址寻址ARM处理器寻址方式2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林15多寄存器寻址一次可传送几个寄存器值，允许一条指令传送16个寄存器的任何子集或所有寄存器。多寄存器寻址指令举例如下：LDMIAR1!,{R2-R7,R12};将R1指向的单元中的数据读出到;R2～R7、R12中(R1自动加4)STMIAR0!,{R2-R7,R12};将寄存器R2～R7、R12的值保;存到R0指向的存储;单元中;(R0自动加4)0x40000000R1R20x??0x010x400000000x??R3R40x??R60x??0x020x030x040x400000040x400000080x4000000C存储器寻址方式分类——多寄存器寻址LDRR1!,{R2-R4,R6}0x010x020x030x040x40000010ARM处理器寻址方式2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林16堆栈是一个按特定顺序进行存取的存储区，操作顺序为“后进先出”。堆栈寻址是隐含的，它使用一个专门的寄存器(堆栈指针)指向一块存储区域(堆栈)，指针所指向的存储单元即是堆栈的栈顶。存储器堆栈可分为两种：向上生长：向高地址方向生长，称为递增堆栈向下生长：向低地址方向生长，称为递减堆栈寻址方式分类——堆栈寻址ARM处理器寻址方式2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林17寻址方式分类——堆栈寻址栈底栈顶栈区SP堆栈存储区栈顶栈底栈区SP向下增长向上增长0x123456780x12345678堆栈压栈堆栈压栈ARM处理器寻址方式2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林18栈顶SP栈顶SP栈底空堆栈栈底满堆栈堆栈指针指向最后压入的堆栈的有效数据项，称为满堆栈；堆栈指针指向下一个待压入数据的空位置，称为空堆栈。寻址方式分类——堆栈寻址0x123456780x12345678栈顶SP0x12345678栈顶SP压栈压栈ARM处理器寻址方式2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林19所以可以组合出四种类型的堆栈方式：满递增：堆栈向上增长，堆栈指针指向内含有效数据项的最高地址。指令如LDMFA、STMFA等；空递增：堆栈向上增长，堆栈指针指向堆栈上的第一个空位置。指令如LDMEA、STMEA等；满递减：堆栈向下增长，堆栈指针指向内含有效数据项的最低地址。指令如LDMFD、STMFD等；空递减：堆栈向下增长，堆栈指针向堆栈下的第一个空位置。指令如LDMED、STMED等。寻址方式分类——堆栈寻址ARM处理器寻址方式2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林20多寄存器传送指令用于将一块数据从存储器的某一位置拷贝到另一位置。如：LDMIAR0!,{R1-R7}STMIAR0!,{R1-R7};将R1～R7的数据保存到存储器中。;存储指针R0在保存第一个值之后增加，;增长方向为向上增长。STMIBR0!,{R1-R7};将R1～R7的数据保存到存储器中。;存储指针R0在保存第一个值之前增加，;增长方向为向上增长。寻址方式分类——块拷贝寻址ARM处理器寻址方式2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林21相对寻址是基址寻址的一种变通。由程序计数器PC提供基准地址，指令中的地址码字段作为偏移量，两者相加后得到的地址即为操作数的有效地址。相对寻址指令举例如下：BLSUBR1;调用到SUBR1子程序BEQLOOP;条件跳转到LOOP标号处...LOOPMOVR6,#1...SUBR1...寻址方式分类——相对寻址ARM处理器寻址方式ARM微处理器指令系统ARM指令概述1基本寻指方式2ARM指令基本格式3ARM指令集4Thumb指令集52020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林2323ARM指令的编码格式一条实际的指令的语法结构（助记符）为ADDEQSR0,R1,R231～2827～2524～212019～1615～1211~0condopcodeSRnRdop200000010100100010000000000000010该指令的编码格式为：ARM指令的一般格式2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林24ARM指令集指令编码一览2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林25ARM是三地址指令格式，指令的基本格式如下：opcode{cond}{S}Rd,Rn{,operand2}其中号内的项是必须的，{}号内的项是可选的。各项的说明如下：opcode：指令助记符；cond：执行条件；S：是否影响CPSR寄存器的值；Rd：目标寄存器；Rn：第1个操作数的寄存器；operand2：第2个操作数；指令语法目标寄存器(Rd)第一操作数(Rn)第二操作数(Rm)ADDr3,r1,r2r3r1r2例:ARM基本指令格式2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林26ARM指令的基本格式如下：ARM指令基本格式ARM指令集——第2个操作数opcode{cond}{S}Rd,Rn{,operand2}灵活的使用第2个操作数“operand2”能够提高代码效率。它有如下的形式：#immed_8r——常数表达式；Rm——寄存器方式；Rm,shift——寄存器移位方式；2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林27ARM指令格式——操作数2020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林282020/1/20中国矿业大学——信电学院——张林29ARM指令格式ARM指令集——第2个操作数——立即数ADDR1,R2,0x1122AABB没有直接对32位立即数直接进行操作的指令如果直接将oprand2的12位立即数，则只能表示0x0000~0x0FFF如何实现对更大立即数的处理？ARM只利