第3章 Thumb-2指令系统4H

EmbeddedSystemDevelopment聊城大学理工学院曹银杰caoyinjie@

嵌入式系统与应用

第3章Thumb-2指令系统3.1Thumb-2指令集简介3.2Cortex-M3八种寻址方式3.3简单的Thumb汇编程序3.4Thumb-2指令基本格式3.5

Cortex-M3常用的Thumb-2指令集3.1Thumb-2指令集简介Cortex-M3处理器使用的是Thumb-2指令集的子集，它的指令工作状态只有Thumb-2状态。Thumb-2继承了传统的Thumb指令集和ARM指令集的各自优点，并不是Thumb的升级，包含16-bit指令集和32-bit指令集两种长度的指令子集。Thumb-2指令集体系架构，无需处理器进行工作状态的显示切换，就可运行16位与32位混合代码，并由同一汇编器对其进行汇编。第3章Thumb-2指令系统3.1Thumb-2指令集简介3.2Cortex-M3八种寻址方式3.3简单的Thumb汇编程序3.4Thumb-2指令基本格式3.2Cortex-M3八种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。指令的简单格式：<opcode><Rd>,<Rn>[,<Operand2>]

<指令码><目标寄存器>,<第一操作数>[,<第二操作数>]Cortex-M3处理器支持8种基本寻址方式：1、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、相对寻址指令中的地址码字段（第一或第二操作数）给出的是寄存器编号，操作数的值在寄存器中，指令执行时直接取出寄存器值来操作。例：MOVR1,R2;将R2的值存入R11、寄存器寻址SUBR0,R1,R2;将R1的值减去R2的值，结果存R00xAA0x55R2R1MOVR1,R20xAA地址码字段（第一或第二操作数）直接给出是一整数（称立即数），例：SUBSR0,R0,#1;R0减1结果放入R0，影响标志位2、立即寻址MOVR0,#0xFF000;将立即数0xFF000装入R00x55R0MOVR0,#0xFF00程序存储0xFF00从代码中获得数据地址码字段（第一或第二操作数）在操作之前，先进行移位操作。例：MOV R0,R2,LSL#3;R2的值左移3位，结果存R0， ;即是R0=R2×83、寄存器移位寻址ANDS R1,R1,R2,LSLR3;R2的值左移R3位，再和R1相“与”操作，结果放入R10x55R0R20x01MOVR0,R2,LSL#30x080x08逻辑左移3位可采用的移位操作LSL逻辑左移(LogicalShiftLeft)：寄存器中数据位低端空出的位补0；LSR逻辑右移(LogicalShiftRight)：寄存器中数据位高端空出的位补0；ASR算术右移(ArithmeticShiftRight)：移位过程中保持符号位不变，即若源操作数为正数，则数据位的高端空出的位补0，否则补1；可采用的移位操作ROR循环右移(RtateRight)：由数据位的低端移出的位填入数据位的高端空出的位；RRX带扩展的循环右移(RotateRighteXtendedby1place)：操作数右移一位，高端空出的位用原C标志值填充。地址码段（第一或第二操作数）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，例：LDRR1,[R2];将R2指向的存储单元的数据读出存R1

0x55R1R20x400000000xAA0x400000004、寄存器间接寻址LDRR1,[R2]0xAA就是将基址寄存器的内容与给出的偏移量相加，形成操作数的有效地址。用于查表、数组操作、功能部件寄存器访问等。例：

LDR R2,[R3,#0x0C];读R3+0x0C地址上的存储单元的值存R25、基址寻址0x55R2R30x400000000xAA0x4000000CLDRR2,[R3,#0x0C]0xAA将R3+0x0C作为地址装载数据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。例：

LDMIAR1!,{R2-R4,R6};将R1指向单元中的数据存到 ;R2～R4、R6中(R1自动加4)0x40000000R1R20x??0x010x400000000x??R3R40x??R60x??0x020x030x040x400000040x400000080x4000000C存储器6、多寄存器寻址LDMIAR1!,{R2-R4,R6}0x010x020x030x040x40000010STMIA R0!,{R2-R7,R12};将寄存器R2～R7、R12的值

;存到R0指向的存储单元中

;(R0自动加4)7、堆栈寻址堆栈是一个按特定顺序进行存取的存储区，后进先出。堆栈寻址是隐含的，使用一个专门的寄存器--堆栈指针SP,指向堆栈的存储单元即栈顶，2种堆栈方式：向上生长与向下生长的堆栈：栈底栈顶栈区SP堆栈存储区栈顶栈底栈区SP0x12345678向下增长0x12345678向上增长0x123456780x12345678压栈压栈堆栈寻址堆栈指针指向最后压入的有效数据项，称为满堆栈；栈顶SP栈顶SP栈底空堆栈栈底满堆栈0x123456780x12345678栈顶SP0x12345678栈顶SP压栈压栈堆栈指针指向下一个待压入数据的空位置，称为空堆栈。堆栈寻址所以可以组合出四种类型的堆栈方式：向上生长的满栈、向上生长的空栈、

向下生长的满栈、向下生长的空栈。Cortex-M3向下生长的满栈模型。例：STMDBSP!,{R1-R7,LR};将R1～R7、LR入栈LDMIASP!,{R1-R7,PC};出栈，到R1～R7、LR寄存器8、相对寻址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。例：BWAITA;跳转到WAITA标号处，跳转范围+16MBBLSUBR1;调用到SUBR1子程序，并存储返回地

；址到LR中，其跳转范围为+16MB

…SUBR1…WAITA…第3章Thumb-2指令系统3.1Thumb-2指令集简介3.2Cortex-M3八种寻址方式3.3简单的Thumb汇编程序3.4Thumb-2指令基本格式3.3简单的Thumb汇编程序;文件名：TEST1.S

AREA|test1.s|,CODE,READONLY;声明只读代码段THUMBDCD__Vectors DCDReset_HandlerEXPORT__Vectors EXPORTReset_Handler__Vectors Reset_HandlerPROC ;PROC/ENDP函数起始STARTMOVR0,#15;R0=15 MOVR1,#8;R1=8 ADDSR0,R0,R1;R0=R0+R1 B START

ENDP;此处函数起始标记可省END使用“；”进行注释标号顶格写实际代码段声明文件结束第3章Thumb-2指令系统3.1Thumb-2指令集简介3.2Cortex-M3八种寻址方式3.3简单的Thumb汇编程序3.4Thumb-2指令基本格式3.5

Cortex-M3常用的Thumb-2指令集3.4Thumb-2指令基本格式1、指令基本格式：<opcode>{<cond>}{S}{.N|.W}<Rd>,<Rn>{,<Operand2>}<>号内的项是必需的，{}号内的项是可选的；Opcode指令助记符，如LDR、STR等；Cond指令执行条件码，不选为AL（无条件执行）；S有S则运算结果影响APSR寄存器的标志位；.N|.W.N为16位编码指令，.W为32位编码指令，建议不选该项让系统自动选择编码类型；Rd目的寄存器；Rn第1个操作数的寄存器；Operand2第2个操作数。例：LDR.NR1,[R2,#0x10];16位指令，立即数范围为0-124;读R2+0x10存储单元的内容，存到R12、指令执行条件码使用指令条件码可以实现高效的逻辑操作，提高代码的执行效率。不选为AL。条件码标志含义EQZ==1相等NEZ==0不相等，与EQ相反CS/HSC==1进位（无符号数大于或等于）CC/LOC==0未进位（无符号数小于）MIN==1负数PLN==0非负数VSV==1溢出VCV==0没有溢出HIC==1&&Z==0无符号数大于LSC==0||Z==1无符号数小于或等于GEN==V有符号数大于或等于LTN!=V有符号数小于GTZ==0&&N==V有符号数大于LEZ==1||N!=V有符号数小于或等于AL—无条件执行指令执行条件码在Cortex-M3中，只有分支转移指令（B指令）才可以随意使用条件码。例：

BEQlabel;当Z==1时，程序转移到label对于其它指令，只有在IF-THEN（IT）指令块中(最多4条)才能加条件码，且必须加条件码。IT已经带了一个T，最多再带3个T或E(与T相反的条件)，T、E排列无顺序。例：…CMPR0,R1;比较R0和R1的值，影响标志位ITTEEGT;下带4条指令，如R0>R1既GT成立，否则LE成立MOVGTR2,R0;GT成立，则R2=R0MOVGTR3,R1;GT成立，则R3=R1MOVLER2,R1;LE成立，则R2=R1MOVLER3,R0;LE成立，则R3=R0…3、影响标志位的指令在Cortex-M3中，下列指令将会更新APSR中的标志位：16位算术逻辑指令；32位带S后缀的算术逻辑指令；比较指令（如CMP/CMN）和测试指令（如TST/TEQ）；直接操作PSR/APSR指令（MRS读和MSR写指令）。4、第2个操作数的格式立即数：#immN，3、5、8、12、16位长度的常数表达式，如：

MOVWR1，#0x1234;操作数为#imm16，范围为0~65535由一个8位数左移任意位而形成的常数，如：0x3FC(0xFF<<2)；重复半字形式0x00XY00XY、0xXY00XY00、0xXYXYXYXY；Rm寄存器方式：操作数即为寄存器的数值，例：SUBR1，R1，R2;R1减R2，保存到R1中寄存器移位方式：Rm,Shift，将寄存器的移位结果作为操作数，例移位方法如下：ASR#n算术右移n位（1<<n<<32)；例：ADDR1,R1,R1,LSL#3;逻辑左移R1=R1+R1×8第3章Thumb-2指令系统3.1Thumb-2指令集简介3.2Cortex-M3八种寻址方式3.3简单的Thumb汇编程序3.4Thumb-2指令基本格式3.5

Cortex-M3常用的Thumb-2指令集3.5

Cortex-M3常用的Thumb-2指令集1、数据传送指令2、存储器访问指令3、算术运算指令4、逻辑运算指令5、移位和循环指令6、符号扩展指令7、字节调序指令8、位域处理指令9、子程序调用与无条件转移指令10、饱和运算指令1、数据传送指令

指令功能描述MOV<Rd>,#<immed_8>将8位立即数传到目标寄存器MOV<Rd>,<Rn>将寄存器值传给低目标寄存器MVN<Rd>,<Rm>寄存器值取反后传给目标寄存器MOV{S}.W<Rd>,#<immed_12>将12位立即数传送到寄存器中MOV{S}.W<Rd>,<Rm>{,<shift>}将移位后的寄存器值传到寄存器MOVT.W<Rd>,#<immed_16>将16位立即数传送到寄存器的高半字[31:16]MOVW.W<Rd>,#<immed_16>16位立即数传到寄存器的低半字[15:0]，将高半字[31:16]清零MRS<Rd>,<SReg>读特殊功能寄存器SRegMSR<SReg>,<Rn>写特殊功能寄存器SReg数据传送指令例利用MOVW和MOVT指令的配合来完成32位立即数的传输：MOVWR1，#0x1234;R1=0x1234，此指令的立即数为16位MOVTR1，#0x5678;

此指令的立即数为16位两条指令执行后，R1=0x56781234，相当于：R1=(R1&0x0000FFFF)|0x56780000为什么先用MOVW后用MOVW？颠倒顺序结果如何？MRS/MSR用于特权级别条件下访问特殊功能寄存器：2、存储器访问指令Cortex-M3处理器对存储器的访问只能通过加载LDR和存储STR指令来实现。LDR是把存储器中的内容加载到寄存器中，STR则是把寄存器内容存储至存储器中，数据类型：字节、半字、字和双字；LDM/STM多寄存器加载和存储指令可以实现一条指令加载和存储多个寄存器的内容，且大大高数据操作效率。四种传输模式:IA：每次传送后地址加4；DB：每次传送前地址减4；FD：满递减堆栈；EA：空递增堆栈。存储器访问指令

指令格式功能说明LDRRd,addressing加载存储器字到Rd寄存器LDRHRd,addressing加载存储器半字[15:0]到RdLDRBRd,addressing加载存储器字节[7:0]到RdLDRSHRd,addressing加载有符号半字到Rd，并对其符号扩展LDRSBRd,addressing加载有符号字节到Rd，并对其符号扩展LDRDRd1,Rd2,addre从连续的地址空间加载双字到2个寄存器LDM<IA/FD/DB/EA>Rn{!},reglist连续加载多个存储器字到多个寄存器STRRd,addressing把一个寄存器按字存储到存储器STRHRd,addressing把一个寄存器按半字[15:0]存储到存储器STRBRd,addressing把一个寄存器按字节[7:0]存储到存储器STRDRd1,Rd2,addre存储2个寄存器组成的双字到连续的空间STM<IA/EA/DB/FD>Rn{!},reglist连续存储多个寄存器字到存储器PUSH{reglist[,LR]}将多个寄存器值压栈POP{reglist[,PC]}从栈中弹出多个值到寄存器中存储器访问指令STM/LDM与PUSH/POP的区别：STM/LDM能对任意的地址空间进行操作，而PUSH/POP只能对堆栈空间进行操作；STM/LDM的生长方式可以支持向上和向下两种方式，而PUSH/POP只能支持向下生长；当两对指令的操作数都为SP时，STM/LDM可以选择是否回写修改SP值，而PUSH/POP指令会自动修改SP值。STMDBSP!,{R4-R7，LR};现场保护，R4-R7、LR入栈等价于：

PUSH{R4-R7，LR}；LDMIASP!,{R4-R7，PC};恢复现场，R4-R7、LR入栈等价于：

POP{R4-R7，PC}；3、算术运算指令ADDRd,Rn,Rm;Rd=Rn+Rm常规加法ADDRd,Rm;Rd+=RmADDRd,#imm;Rd+=immim8（16位指令）或im12（32位指令）ADCRd,Rn,Rm;Rd=Rn+Rm+C带进位的加法,Im8或im12ADCRd,Rm;Rd+=Rm+CADCRd,#imm;Rd+=imm+CSUBRd,Rn;Rd-=Rn常规减法SUBRd,Rn,#imm3;Rd=Rn-imm3SUBRd,#imm8;Rd-=imm8SUBRd,Rn,Rm;Rd=Rm-RmSBCRd,Rm;Rd-=Rm+C带借位的减法SBC.WRd,Rn,#imm12;Rd=Rn-imm12-CSBC.WRd,Rn,Rm;Rd=Rn-Rm-C算术运算指令除法中，为捕捉被零除的非法操作，可在NVIC的配置控制寄存器中置位DIVBZERO位。如出现了被零除的情况，将会引发一个用法fault异常。如没有任何措施，Rd将在除数为零时被清零。RSB.WRd,Rn,#imm12;Rd=imm12-Rn反向减法RSB.WRd,Rn,Rm;Rd=Rm-RnMULRd,Rm;Rd*=Rm常规乘法MUL.WRd,Rn,Rm;Rd=Rn*RmMLARd,Rm,Rn,Ra;Rd=Ra+Rm*Rn乘加MLSRd,Rm,Rn,Ra;Rd=Ra-Rm*Rn乘减UDIVRd,Rn,Rm;Rd=Rn/Rm无符号除法硬件支持的除法，余数被丢弃SDIVRd,Rn,Rm;Rd=Rn/Rm带符号除法SMULLRL,RH,Rm,Rn;[RH:RL]=Rm*Rn带符号的64位乘法SMLALRL,RH,Rm,Rn;[RH:RL]+=Rm*RnUMULLRL,RH,Rm,Rn;[RH:RL]=Rm*Rn无符号的64位乘法SMLALRL,RH,Rm,Rn;[RH:RL]+=Rm*Rn算术运算指令以加法为例说明16bit、32bit的算术四则运算指令：ADDR0,R1

;R0+=R1ADDR0,#0x12

;R0+=12ADD.WR0,R1,R2

;R0=R1+R2当使用16位加法时，会自动更新APSR中的标志位。在使用了“.W”显式指定了32位指令后，就可以通过“S”后缀控制对APSR的更新：ADD.WR0,R1,R2

;不更新标志位ADDS.WR0,R1,R2

;更新标志位4、逻辑运算指令ANDRd,Rn

;Rd&=RnAND.WRd,Rn,#imm12

;Rd=Rn&imm12AND.WRd,Rm,Rn

;Rd=Rm&Rn按位与ORRRd,Rn

;Rd|=RnORR.WRd,Rn,#imm12

;Rd=Rn|imm12ORR.WRd,Rm,Rn

;Rd=Rm|Rn按位或BICRd,Rn

;Rd&=~RnBIC.WRd,Rn,#imm12

;Rd=Rn&~imm12BIC.WRd,Rm,Rn

;Rd=Rm&~Rn

位清零Rn与operand2的反码按位逻辑与ORN.WRd,Rn,#imm12

;Rd=Rn|~imm12ORN.WRd,Rm,Rn

;Rd=Rm|~Rn

按位或反码EORRd,Rn

;Rd^=RnEOR.WRd,Rn,#imm12

;Rd=Rn^imm12EOR.WRd,Rm,Rn

;Rd=Rm^Rn（按位）异或，异或总是按位的5、移位和循环指令LSLRd,Rn,#imm5

;Rd=Rn<<imm5LSLRd,Rn

;Rd<<=RnLSL.WRd,Rm,Rn

;Rd=Rm<<Rn逻辑左移LSRRd,Rn,#imm5

;Rd=Rn>>imm5LSRRd,Rn

;Rd>>=RnLSR.WRd,Rm,Rn

;Rd=Rm>>Rn逻辑右移ASRRd,Rn,#imm5

;Rd=Rn·>>imm5ASRRd,Rn

;Rd·>>=RnASR.WRd,Rm,Rn

;Rd=Rm·>>Rn算术右移RORRd,Rn

;Rd>>=RnROR.WRd,Rm,Rn

;Rd=Rm>>Rn循环右移RRX.WRd,Rn

;Rd=(Rn>>1)+(C<<31)

带进位的右移一位如果是16位Thumb-2指令，则总是更新C的。如果在指令上加上“S”后缀，会更新进位位C。6、符号扩展指令二进制补码表示法中，最高位是符号位。把一个8位或16位负数扩展成32位时：对于负数，必须把所有高位全填1，其数值不变；至于正数或无符号数，则只需简单地把高位清0。指令功能描述SXTB

Rd,Rm

;Rd=Rm带符号扩展

把带符号字节整数扩展到

32位SXTH

Rd,Rm

;Rd=Rm带符号扩展把带符号半字整数扩展到

32位7、字节调序指令REV.WRd,Rn在字中调整字节序REV16.WRd,Rn在高低半字中调整字节序REVSH.W在低半字中调整字节序，并带符号扩展例：R0=0x12345678REVR1,R0；REVHR2,R0；REV16R3,R0；

则R1=0x78563412，R2=0x12347856，R3=0x34127856。例：R0=0x33448899

REVSHR1,R0；

后R1=0xFFFF9988。8、位域处理指令例1：

LDRR0,=0x1234FFFF；

BFCR0,#4,#10；结果：R0=0x1234C00F。指令功能描述BFC.WRd,#<lsb>,#<width>位域清零：第lsb位开始的width宽度BFI.WRd,Rn,#<lsb>,#<width>将寄存器的位域插入另一个寄存器中CLZ.WRd,Rn计算前导0的数目RBIT.WRd,Rn按位旋转180度SBFX.WRd,Rn,#<lsb>,#<width>拷贝位域，并带符号扩展到32位UBFX.WRd,Rn,#<lsb>,#<width>拷贝位域，并无符号扩展到32位例2：LDRR0,=0x12345678