第三章ARM微处理器的指令系统

ARM应用系统设计第三章ARM微处理器的指令系统佘黎煌东北大学信息科学与工程学院电子信息工程研究所1.ARM处理器寻址方式2.ARM指令集介绍3.Thumb指令集ARM微处理器的体系结构（1）RISC体系结构特点：在进行指令系统设计时，只选择使用频率很高的指令，在此基础上增加少量能有效支持操作系统和高级语言实现以及其他功能的指令，使指令条数大大减少采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2～3种使用单周期指令，便于流水线操作执行大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率为提高指令执行速度，大部分指令直接采用硬件电路实现，少量采用微码实现ARM微处理器的体系结构（2）ARM体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗。大多数的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率ARM指令长度概述ARM指令长度指令集可以是以下任一种32bits长(ARM状态)16bits长(Thumb状态)ARM7TDMI支持3种数据类型字节(8-bit)半字(16-bit)字(32-bit)字必须被排成4个字节边界对齐,半字必须被排列成2个字节边界对齐向后兼容：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ARM指令长度概述ARM7TDMI(-S)指令系统简介ARM处理器是基于精简指令集计算机(RISC)原理设计的，指令集和相关译码机制较为简单。ARM7TDMI(-S)具有32位ARM指令集和16位Thumb指令集，ARM指令集效率高，但是代码密度低;而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指令都是可以有条件执行的，而Thumb指令仅有一条指令具备条件执行功能。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。第4章ARM7TDMI(-S)指令系统ARM指令集与Thumb指令集的关系Thumb指令集具有灵活、小巧的特点ARM指令集支持ARM核所有的特性，具有高效、快速的特点1.ARM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。(1).寄存器寻址；(2).立即寻址；(3).寄存器偏移寻址；(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。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R1SUBR0,R1,R2;将R1的值减去R2的值，结果保存到R00xAA0x55R2R1(1).寄存器寻址MOVR1,R20xAA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,#0xFF000;将立即数0xFF000装入R0寄存器0x55R0MOVR0,#0xFF00程序存储(2).立即寻址MOVR0,#0xFF000xFF00从代码中获得数据寄存器移位寻址是ARM指令集特有的寻址方式。当第2个操作数是寄存器移位方式时，第2个寄存器操作数在与第1个操作数结合之前，选择进行移位操作。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(3).寄存器移位寻址MOVR0,R2,LSL#30x080x08逻辑左移3位ARM指令的寻址方式寄存器移位寻址ARM集特有。第二个操作数先进行移位操作。ADDR3，R2，R1，LSL#3；R3←R2＋8*R1LSL：逻辑左移（LogicalShiftLeft）LSR：逻辑右移（LogicalShiftRight）ASR：算术右移（ArithmeticShiftRight）ROR：循环右移（RotateRight）RRX：扩展为1的循环右移（RotateRighteXtendedby1place）0LSL0LSRASRRORRRXC寄存器移位寻址0LSL0LSRASRRORRRXC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(4).寄存器间接寻址LDRR0,[R2]0xAA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相加，形成操作数的有效地址。基址寻址指令举例如下：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(5).基址寻址0x55R2R30x400000000xAA0x4000000CLDRR2,[R3,#0x0C]0xAA将R3+0x0C作为地址装载数据ARM指令的寻址方式基址寻址将基址寄存器的内容与指令中给出的地址偏移量相加，形成操作数的有效地址。基址寻址常用于访问基地址附近的存储单元。包括基址加偏移和基址加索引寻址。基址加偏移－前索引寻址LDRR0，[R1，＃4]；R0←[R1＋4]基址加偏移－带自动索引的前索引寻址LDRR0，[R1，＃4]！；R0←[R1＋4]、R1←R1＋4基址加偏移－后索引寻址LDRR0，[R1]，＃4；R0←[R1]、R1←R1＋4基址加索引寻址LDRR0，[R1，R2]；R0←[R1＋R2]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1)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1)使用多寄存器寻址指令时，寄存器子集的顺序是按由小到大的顺序排列，连续的寄存器可用“－”连接；否则用“，”分隔书写。(6).多寄存器寻址0x40000000R1R20x??0x010x400000000x??R3R40x??R60x??0x020x030x040x400000040x400000080x4000000C存储器LDMIAR1!,{R2-R4,R6}0x400000100x010x020x030x04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(7).堆栈寻址(7).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。(7).堆栈寻址0x123456780x12345678栈顶SP0x12345678栈顶SP压栈压栈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。(7).堆栈寻址ARM指令的寻址方式STMFAr13!,{r0-r3};PushontoaFullAscendingStackLDMFAr13!,{r0-r3};PopfromaFullAscendingStackSTMFDr13!,{r0-r3};PushontoaFullDescendingStackLDMFDr13!,{r0-r3};PopfromaFullDescendingStackSTMEAr13!,{r0-r3};PushontoanEmptyAscendingStackLDMEAr13!,{r0-r3};PopfromanEmptyAscendingStackSTMEDr13!,{r0-r3};PushontoEmptyDescendingStackLDMEDr13!,{r0-r3};PopfromanEmptyDescendingStack注意:1.不论那时压栈过程还是出栈过程,存储器中的高地址的数据对应高编号寄存器.并且与大括号中寄存器的排放顺序无关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：STMIAR0!,{R1-R7};将R1～R7的数据保存到存储器中。;存储指针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。;存储指针在保存第一个值之前增加，;增长方向为向上增长。(8).块拷贝寻址块拷贝寻址LDMIAR0，{R1，R2，R3，R4}；R1←[R0]，R2←[R0＋4]，R3←[R0＋8]，R4←[R0＋12]地址增加在先（IB）：STMIB，LDMIB地址增加在后（IA）：STMIA，LDMIA地址减少在先（DB）：STMDB，LDMDB地址减少在后（DA）：STMDA，LDMDAI：IncrementD：DecrementB：BeforeA：After增加之前STMIBSTMFALDMIBLDMED之后STMIASTMEALDMIALDMFD减少之前LDMDBLDMEASTMDBSTMFD之后LDMDALDMFASTMDASTMED向上生长向下生长满空满空增长的方向增长的先后多寄存器传送指令映射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：BLSUBRl；调用到SUBRl子程序...SUBR1…MOVPC,R14；返回(9).相对寻址简单的ARM程序;文件名：TEST1.S;功能：实现两个寄存器相加;说明：使用ARMulate软件仿真调试AREAExample1,CODE,READONLY;声明代码段Example1ENTRY;标识程序入口CODE32;声明32位ARM指令STARTMOVR0,#0;设置参数MOVR1,#10LOOPBLADD_SUB;调用子程序ADD_SUBBLOOP;跳转到LOOPADD_SUBADDSR0,R0,R1;R0=R0+R1MOVPC,LR;子程序返回END;文件结束使用“；”进行注释标号顶格写实际代码段声明文件结束简单的ARM程序;文件名：TEST1.S;功能：实现两个寄存器相加;