ARM嵌入式系统结构与编程：第4章 ARM指令集系统

第4章 ARM指令集系统ARM微处理器的指令集可以分为数据处理指令、分支指令、加载/存储指令、批量加载/存储指令、交换指令、程序状态寄存器(PSR)处理指令、协处理器指令和异常产生指令八大类。本章将分类介绍ARM指令语法格式、指令编码格式和ARM指令的详细功能。内容提要4．1数据处理指令4．2ARM分支指令4．3加载/存储指令4．4批量加载/存储指令4．5交换指令4．6程序状态寄存器PSR访问指令4．7协处理器操作指令4．8异常产生指令4.1.1基本数据处理指令ARM基本的数据处理指可以分为4类：数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令和比较指令。ARM基本的数据处理指令汇编指令语法格式：<opcode>{<cond>}{S}<Rd>,<Rn>,<operand2>4．1数据处理指令1.数据传送指令MOV指令MOV指令的汇编语法格式为MOV{cond}{S}Rd,operand2 将第二操作数operand2表示的数据传送到目标寄存器Rd中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果或移位情况更新CPSR中的相应条件标志位（N、Z和C）。1.数据传送指令指令中包含S时：如果指令中的目标寄存器<Rd>为R15，则当前处理器模式对应的SPSR的值被复制到CPSR中；如果指令中的目标寄存器<Rd>不为R15，指令根据传送的数值设置CPSR中的N位和Z位，并根据移位器的进位值设置CPSR的C位。1.数据传送指令MOV指令例4-1：MOVR1,#0x80MOVPC,LRMOVSR1,R2,LSL#0x02MVN指令MVN指令的汇编语法格式为MVN{cond}{S}Rd,operand2将第二操作数operand2表示的数据按位取反后传送到目标寄存器Rd中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果或移位情况更新CPSR中的相应条件标志位。MVN指令例4-2MVNR1，#0xFF00MVNSR1，R1，LSL#0x022．算术运算指令（1）ADD加法指令ADD加法指令的汇编语法格式为ADD{cond}{S}Rd,Rn,operand2 ADD指令将operand2表示的数据与寄存器Rn中的值相加，并把结果传送到目标寄存器<Rd>中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果更新CPSR中的相应条件标志位。2．算术运算指令（1）ADD加法指令例：4-3ADDR0，R1，R2ADDSR0，R1，#251ADDR0，R2，R2，LSL#1

（2）ADC带C标志位的加法指令ADC{cond}{S}Rd,Rn,operand2功能：ADC带C标志位的加法指令将operand2表示的数据与寄存器Rn中的值相加，再加上CPSR中的C条件标志位的值，并把结果传送到目标寄存器Rd中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果更新CPSR中的相应条件标志位。该指令可以实现两个高于32位的数据相加运算。（2）ADC带C标志位的加法指令例：实现64位数据加法运算ADDSR0，R0，R2ADCR1，R1，R3（3）SUB减法指令SUB{cond}{S}Rd,Rn,operand2功能：SUB指令从寄存器Rn中减去operand2表示的数值，并把结果传送到目标寄存器<Rd>中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果更新CPSR中的相应条件标志位。注意事项：当指令包含后缀“S”时，如果减法运算有借位，则C=0，否则C=1。（4）SBC带C标志位的减法指令SBC{cond}{S}Rd,Rn,operand2SBC指令从寄存器<Rn>中减去operand2表示的数值，再减去寄存器CPSR中C条件标志位的反码，并把结果传送到目标寄存器Rd中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果更新CPSR中的相应条件标志位。该指令可以实现两个高于32位的数据相减运算。（4）SBC带C标志位的减法指令例4-6实现64位操作数减法运算，其中R1：R0中放置被减数，R3：R2中放置减数，结果送回到R1：R0中。(验证)（5）RSB逆向减法指令RSB{cond}{S}Rd,Rn,operand2功能：RSB指令从第2操作数operand2表示的数值中减去寄存器Rn

值，并把结果传送到目标寄存器Rd中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果更新CPSR中的相应条件标志位。（6）RSC带C标志位的逆向减法指令RSC{cond}{S}Rd，Rn,operand2功能：RSC指令从operand2表示的数值中减去寄存器Rn

值，再减去寄存器CPSR中C条件标志位的反码，并把结果传送到目标寄存器Rd中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果更新CPSR中的相应条件标志位。例：求一个64位数的相反数(验证)3．逻辑运算指令（1）AND与逻辑运算指令AND{cond}{S}Rd,Rn,operand2功能：AND指令将operand2表示的数值与寄存器Rn

的值按位做逻辑与操作，并把结果保存到目标寄存器Rd中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果更新CPSR中的相应条件标志位。ANDR0，R0，#0xFF（2）ORR或逻辑运算指令ORR{cond}{S}Rd,Rn,operand2功能：ORR指令将operand2表示的数值与寄存器Rn的值按位做逻辑或操作，并把结果保存到目标寄存器Rd中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果更新CPSR中的相应条件标志位。ORRR0，R0，#0xFF

（3）EOR异或逻辑运算指令EOR{cond}{S}Rd,Rn,operand2功能：EOR指令将operand2表示的数值与寄存器Rn的值按位做逻辑异或操作，并把结果保存到目标寄存器Rd中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果更新CPSR中的相应条件标志位。EOR指令可用于将寄存器中某些位的值取反。EORR0，R0，#0xFF

（4）BIC位清除逻辑运算指令BIC{cond}{S}Rd,Rn,operand2功能：BIC指令将寄存器Rn的值与operand2表示的数值的反码按位做逻辑与操作，并把结果保存到目标寄存器Rd中

BICR0，R0，#0xFF0000004．比较指令比较指令没有目标寄存器，只用作更新条件标志位，不保存运算结果，指令后缀无需加“S”。在程序设计中，根据操作的结果更新CPSR中相应的条件标志位，后面的指令就可以根据CPSR中相应的条件标志位来判断是否执行。（1）CMP相减比较指令CMP{cond}Rn,operand2功能：CMP指令将寄存器Rn的值减去operand2表示的数值，根据操作结果和寄存器移位情况更新CPSR中的相应条件标志位。（2）CMN负数比较指令CMN{cond}Rn,operand2功能：CMN指令将寄存器Rn的值加上operand2表示的数值，根据操作结果和寄存器移位情况更新CPSR中的相应条件标志位。CMN相当于不保存操作结果的ADDS指令。（3）TST位测试指令TST{cond}Rn,operand2功能：CMN指令将寄存器Rn的值与operand2表示的数值按位作逻辑“与”操作，根据操作结果和寄存器移位情况更新CPSR中的相应条件标志位。4）TEQ相等测试指令TEQ{cond}Rn,operand2功能：TEQ指令将寄存器Rn的值与operand2表示的数值按位作逻辑“异或”操作，根据操作结果和寄存器移位情况更新CPSR中的相应条件标志位。可以利用CPSR中的Z位、N位判断两个操作数或它们的符号是否相等。4.1.2乘法指令ARM乘法指令完成2个寄存器中数据的乘法，按照保存结果的数据长度可以分为两类：一类为32位的乘法指令，即乘法操作的结果为32位；另一类为64位的乘法指令，即乘法操作的结果为64位。

1．32位乘法指令（1）MULMUL{cond}{S}Rd,Rm,RsMUL指令实现两个32位的数（可以为无符号数，也可为有符号数）的乘积（Rm*Rs

）并将结果存放到一个32位的寄存器Rd中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果更新CPSR中的相应条件标志位(N,Z)；Rd和Rm不能为同一个寄存器。例：MULSR3,R2,R1

（2）MLAMLA{cond}{S}Rd,Rm,Rs,Rn

MLA指令实现两个32位的数（可以为无符号数，也可为有符号数）的乘积，再将乘积（Rm*Rs

）加上第3个操作数Rn，并将结果存放到一个32位的寄存器Rd中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果更新CPSR中的相应条件标志位。

例：MLASR0，R1，R2，R32．64位乘法指令（1）UMULLUMULL{cond}{S}RdLo,RdHi,Rm,Rs

UMULL指令实现两个32位无符号数的乘积，乘积结果的高32位存放到一个32位的寄存器RdHi中，乘积结果的低32位存放到另一个32位的寄存器RdLo中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果更新CPSR中的相应条件标志位。例：UMULLR0，R1，R2，R3（2）UMLALUMLAL{cond}{S}RdLo,RdHi,Rm,Rs

UMLAL指令将两个32位无符号数的64位乘积结果与由（RdHi：RdLo）表示的64位无符号数相加，结果的高32位存放到寄存器RdHi中，结果的低32位存放到寄存器RdLo中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果更新CPSR中的相应条件标志位。例：UMLALR0，R1，R2，R3（3）SMULLSMULL{cond}{S}RdLo,RdHi,Rm,Rs

SMULL指令实现两个32位有符号数的乘积，乘积结果的高32位存放到一个32位的寄存器的RdHi，乘积结果的低32位存放到另一个32位的寄存器的RdLo；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果更新CPSR中的相应条件标志位。例4-21写出执行完下面的程序段后，[R3：R2]、[R5：R4]所存放的64位乘法结果分别为多少？(验证)

MVNR0,#0x0 MOVR1,#0x1 UMULLR2,R3,R1,R0 SMULLR4,R5,R1,R0；（4）SMLALSMLAL{cond}{S}RdLo,RdHi,Rm,Rs

SMLAL指令将两个32位有符号数的64位乘积结果与由（RdHi：RdLo）表示的64位无符号数相加，加法结果的高32位存放到寄存器RdHi中，乘积结果的低32位存放到寄存器RdLo中；如果指令包含后缀“S”，则根据操作结果更新CPSR中的相应条件标志位。杂类数据处理指令前导零计数指令：CLZCLZ<cond><Rd>,<Rm>从ARMV5版本指令系统开始支持该指令，计算32位寄存器操作数从第31位开始连续“0”位的个数，主要用于计算操作数规范化。例：

MOVR4,#0xAA CLZ R2,R44.2ARM分支指令分支指令用于实现程序流程的跳转，在ARM程序中有两种方法可以实现程序流程的跳转：使用专门的分支指令。直接向程序计数器PC写入跳转地址值。ARM分支指令可以实现从当前指令向前或向后的32M的地址空间跳转。通过向程序计数器PC写入跳转地址值，可以实现在4GB的地址空间中的任意跳转，在跳转之前结合使用MOV

LR，PC等类似指令，能够保存程序的返回地址值，从而实现在4GB连续地址空间的子程序调用。分支指令B分支指令B可以实现跳转到指定的地址执行程序。指令的汇编语法格式如下：B{<cond>}<target_address>

在指令的汇编语法中target_address这个目标地址的计算方法是：将指令中的24位带符号的补码立即数扩展为32位；将此32位数左移两位将得到的值写入到程序计数器PC中，即跳转到目标地址。能够实现跳转的范围为-32MB~+32MB。例： B Label;目标地址由程序标号给出 CMPR1,#0 BEQstop带链接的分支指令BL 带链接的分支指令BL可以实现跳转到指定的地址执行程序，同时BL指令还将程序计数器PC的值(下一条指令地址)保存到LR寄存器中。指令的汇编语法格式如下：BL{<cond>}<target_address>如何从子程序中返回？L决定是否保存返回地址。当有L时，指令将下一条指令地址保存到LR寄存器中；当无L时同B指令仅执行跳转，当前PC寄存器的值将不会保存到LR寄存器中。从指令的编码可以看出，B与BL指令的唯一区别是bit[24]，当bit[24]=0是B指令，当bit[24]=1是BL指令。BL跳转指令编码中signed_immed_24的含义同B指令。带状态切换的跳转指令BXBX指令跳转到指令中所指定的目标地址，目标地址处的指令既可以是ARM指令，也可以是Thumb指令。指令的汇编语法格式如下：

BX{<cond>}<Rm>BX指令