ARM 微处理器的指令系统

beyes

ARM 指令的分类与格式
ARM微处理器的指令集是加载/存储型的，也即指令集仅能处理寄存器中的数据，而且处理结果都要放回寄存器中，而对系统存储器的访问则需要通过专门的加载/存储指令来完成。

ARM微处理器的指令集可以分为跳转指令、数据处理指令、程序状态寄存器（PSR）处理指令、加载/存储指令、协处理器指令和异常产生指令六大类，具体的指令及功能如表3-1所示（表中指令为基本ARM指令，不包括派生的ARM指令）。

当处理器工作在ARM状态时，几乎所有的指令均根据 CPSR 中条件码的状态和指令的条件域有条件的执行。当指令的执行条件满足时，指令被执行，否则指令被忽略。

每一条 ARM 指令包含 4 位的条件码，位于指令的最高 4 位 [31:28] 。条件码共有 16 种，每种条件码可用两个字符表示，这两个字符可以添加在指令助记符的后面和指令同时使用。例如，跳转指令 B 可以加上后缀 EQ 变为 BEQ 表示 “ 相等则跳转 ” ，即当 CPSR 中的 Z 标志置位时发生跳转。

在 16 种条件标志码中，只有 15 种可以使用，如表 3-2 所示，第 16 种（ 1111 ）为系统保留，暂时不能使用。

海敏栋

说的不错！

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为兼容数据总线宽度为 16 位的应用系统， ARM 体系结构除了支持执行效率很高的 32 位 ARM指令集以外，同时支持 16 位的 Thumb 指令集。 Thumb 指令集是 ARM 指令集的一个子集，允许指令编码为 16 位的长度。与等价的 32 位代码相比较， Thumb 指令集在保留 32 代码优势的同时，大大的节省了系统的存储空间。

所有的 Thumb 指令都有对应的 ARM 指令，而且 Thumb 的编程模型也对应于 ARM 的编程模型，在应用程序的编写过程中，只要遵循一定调用的规则， Thumb 子程序和 ARM 子程序就可以互相调用。当处理器在执行 ARM 程序段时，称 ARM 处理器处于 ARM 工作状态，当处理器在执行 Thumb程序段时，称 ARM 处理器处于 Thumb 工作状态。

与 ARM 指令集相比较， Thumb 指令集中的数据处理指令的操作数仍然是 32 位，指令地址也为32 位，但 Thumb 指令集为实现 16 位的指令长度，舍弃了 ARM 指令集的一些特性，如大多数的 Thumb指令是无条件执行的，而几乎所有的 ARM 指令都是有条件执行的；大多数的 Thumb 数据处理指令的目的寄存器与其中一个源寄存器相同。

由于 Thumb 指令的长度为 16 位，即只用 ARM 指令一半的位数来实现同样的功能，所以，要实现特定的程序功能，所需的 Thumb 指令的条数较 ARM 指令多。在一般的情况下， Thumb 指令与ARM 指令的时间效率和空间效率关系为：

— Thumb 代码所需的存储空间约为ARM 代码的60％～70％

— Thumb 代码使用的指令数比ARM 代码多约30％～40％

— 若使用32 位的存储器，ARM 代码比Thumb 代码快约40％

— 若使用16 位的存储器，Thumb 代码比ARM 代码快约40％～50％

— 与ARM 代码相比较，使用Thumb 代码，存储器的功耗会降低约30％

显然， ARM 指令集和 Thumb 指令集各有其优点，若对系统的性能有较高要求，应使用 32 位的存储系统和 ARM 指令集，若对系统的成本及功耗有较高要求，则应使用 16 位的存储系统和 Thumb指令集。当然，若两者结合使用，充分发挥其各自的优点，会取得更好的效果。

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ARM 微处理器所支持的异常指令有如下两条：

— SWI 软件中断指令

— BKPT 断点中断指令

1、SWI 指令

SWI 指令的格式为：

SWI{条件} 24 位的立即数

SWI 指令用于产生软件中断，以便用户程序能调用操作系统的系统例程。操作系统在SWI 的异常处理程序中提供相应的系统服务，指令中 24 位的立即数指定用户程序调用系统例程的类型，相关参数通过通用寄存器传递，当指令中24 位的立即数被忽略时，用户程序调用系统例程的类型由通用寄存器R0 的内容决定，同时，参数通过其他通用寄存器传递。

指令示例：

SWI 0x02 ；该指令调用操作系统编号位 02 的系统例程。

2、BKPT 指令

BKPT 指令的格式为：

BKPT 16 位的立即数

BKPT 指令产生软件断点中断，可用于程序的调试。

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ARM 微处理器可支持多达 16 个协处理器，用于各种协处理操作，在程序执行的过程中，每个协处理器只执行针对自身的协处理指令，忽略 ARM 处理器和其他协处理器的指令。

ARM 的协处理器指令主要用于 ARM 处理器初始化 ARM 协处理器的数据处理操作，以及在ARM 处理器的寄存器和协处理器的寄存器之间传送数据，和在 ARM 协处理器的寄存器和存储器之间传送数据。 ARM 协处理器指令包括以下 5 条：

— CDP 协处理器数操作指令

— LDC 协处理器数据加载指令

— STC 协处理器数据存储指令

— MCR ARM 处理器寄存器到协处理器寄存器的数据传送指令

— MRC 协处理器寄存器到ARM 处理器寄存器的数据传送指令

1、CDP 指令

CDP 指令的格式为：

CDP{条件} 协处理器编码，协处理器操作码1，目的寄存器，源寄存器1，源寄存器2，协处理

器操作码2。

CDP 指令用于ARM 处理器通知ARM 协处理器执行特定的操作,若协处理器不能成功完成特定的操作，则产生未定义指令异常。其中协处理器操作码1 和协处理器操作码2 为协处理器将要执行的操作，目的寄存器和源寄存器均为协处理器的寄存器，指令不涉及ARM 处理器的寄存器和存储器。

指令示例：

CDP P3 ， 2 ， C12 ， C10 ， C3 ， 4 ；该指令完成协处理器 P3 的初始化

2、LDC 指令

LDC 指令的格式为：

LDC{条件}{L} 协处理器编码,目的寄存器，[源寄存器]

LDC 指令用于将源寄存器所指向的存储器中的字数据传送到目的寄存器中，若协处理器不能成功完成传送操作，则产生未定义指令异常。其中，{L}选项表示指令为长读取操作，如用于双精度数据的传输。

指令示例：

LDC P3 ， C4 ， [R0] ；将 ARM 处理器的寄存器 R0 所指向的存储器中的字数据传送到协处理器 P3 的寄存器 C4 中。

3、STC 指令

STC 指令的格式为：

STC{条件}{L} 协处理器编码,源寄存器，[目的寄存器]

STC 指令用于将源寄存器中的字数据传送到目的寄存器所指向的存储器中，若协处理器不能成功完成传送操作，则产生未定义指令异常。其中，{L}选项表示指令为长读取操作，如用于双精度数据的传输。

指令示例：

STC P3 ， C4 ， [R0] ；将协处理器 P3 的寄存器 C4 中的字数据传送到 ARM 处理器的寄存器R0 所指向的存储器中。

4、MCR 指令

MCR 指令的格式为：

MCR{条件} 协处理器编码，协处理器操作码1，源寄存器，目的寄存器1，目的寄存器2，协处

理器操作码2。

MCR 指令用于将ARM 处理器寄存器中的数据传送到协处理器寄存器中,若协处理器不能成功完成操作，则产生未定义指令异常。其中协处理器操作码1 和协处理器操作码2 为协处理器将要执行的操作，源寄存器为ARM 处理器的寄存器，目的寄存器1 和目的寄存器2 均为协处理器的寄存器。

指令示例：

MCR P3 ， 3 ， R0 ， C4 ， C5 ， 6 ；该指令将 ARM 处理器寄存器 R0 中的数据传送到协处理器 P3 的寄存器 C4 和 C5 中。

5、MRC 指令

MRC 指令的格式为：

MRC{条件} 协处理器编码，协处理器操作码1，目的寄存器，源寄存器1，源寄存器2，协处理

器操作码2。

MRC 指令用于将协处理器寄存器中的数据传送到ARM 处理器寄存器中,若协处理器不能成功完成操作，则产生未定义指令异常。其中协处理器操作码1 和协处理器操作码2 为协处理器将要执行的操作，目的寄存器为ARM 处理器的寄存器，源寄存器1 和源寄存器2 均为协处理器的寄存器。

指令示例：

MRC P3 ， 3 ， R0 ， C4 ， C5 ， 6 ；该指令将协处理器 P3 的寄存器中的数据传送到 ARM 处理器寄存器中.

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ARM 微处理器内嵌的桶型移位器（Barrel Shifter），支持数据的各种移位操作，移位操作在 ARM 指令集中不作为单独的指令使用，它只能作为指令格式中是一个字段，在汇编语言中表示为指令中的选项。例如，数据处理指令的第二个操作数为寄存器时，就可以加入移位操作选项对它进行各种移位操作。移位操作包括如下6 种类型， ASL 和 LSL 是等价的，可以自由互换：

— LSL 逻辑左移

— ASL 算术左移

— LSR 逻辑右移

— ASR 算术右移

— ROR 循环右移

— RRX 带扩展的循环右移

1、LSL（或ASL）操作

LSL（或ASL）操作的格式为：

通用寄存器， LSL （或 ASL ） 操作数

LSL（或ASL）可完成对通用寄存器中的内容进行逻辑（或算术）的左移操作，按操作数

所指定的数量向左移位，低位用零来填充。其中，操作数可以是通用寄存器，也可以是立即数（ 0 ～ 31 ）。

操作示例：

MOV R0, R1, LSL#2 ；将 R1 中的内容左移两位后传送到 R0 中。

2、LSR 操作

LSR 操作的格式为：

通用寄存器， LSR 操作数

LSR 可完成对通用寄存器中的内容进行右移的操作，按操作数所指定的数量向右移位，左端用零来填充。其中，操作数可以是通用寄存器，也可以是立即数（ 0 ～ 31 ）。

操作示例：

MOV R0, R1, LSR#2 ；将 R1 中的内容右移两位后传送到 R0 中，左端用零来填充。

3、ASR 操作

ASR 操作的格式为：

通用寄存器， ASR 操作数

ASR 可完成对通用寄存器中的内容进行右移的操作，按操作数所指定的数量向右移位，左端用第31 位的值来填充。其中，操作数可以是通用寄存器，也可以是立即数（ 0 ～ 31 ）。

操作示例：

MOV R0, R1, ASR#2 ；将 R1 中的内容右移两位后传送到 R0 中，左端用第 31 位的值来填充。

4、ROR 操作

ROR 操作的格式为：

通用寄存器， ROR 操作数

ROR 可完成对通用寄存器中的内容进行循环右移的操作，按操作数所指定的数量向右循环移位， 左端用右端移出的位来填充。其中，操作数可以是通用寄存器，也可以是立即数（ 0 ～ 31 ）。显然，当进行 32 位的循环右移操作时，通用寄存器中的值不改变。

操作示例：

MOV R0, R1, ROR#2 ；将 R1 中的内容循环右移两位后传送到 R0 中。

5、RRX 操作

RRX 操作的格式为：

通用寄存器， RRX 操作数

RRX 可完成对通用寄存器中的内容进行带扩展的循环右移的操作，按操作数所指定的数量向右循环移位，左端用进位标志位 C 来填充。其中，操作数可以是通用寄存器，也可以是立即数（ 0 ～ 31 ）。

操作示例：

MOV R0, R1, RRX#2 ；将 R1 中的内容进行带扩展的循环右移两位后传送到 R0 中。

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ARM 微处理器所支持数据交换指令能在存储器和寄存器之间交换数据。数据交换指令有如下

两条：

— SWP 字数据交换指令

— SWPB 字节数据交换指令

1、SWP 指令

SWP 指令的格式为：

SWP{条件} 目的寄存器，源寄存器1，[源寄存器2]

SWP 指令用于将源寄存器2 所指向的存储器中的字数据传送到目的寄存器中，同时将源寄存器1中的字数据传送到源寄存器2 所指向的存储器中。显然，当源寄存器1 和目的寄存器为同一个寄存器时，指令交换该寄存器和存储器的内容。

指令示例：

SWP R0 ， R1 ， [R2] ；将 R2 所指向的存储器中的字数据传送到 R0 ，同时将 R1 中的字数据传送到 R2 所指向的存储单元。

SWP R0 ， R0 ， [R1] ；该指令完成将 R1 所指向的存储器中的字数据与 R0 中的字数据交换。

2、SWPB 指令

SWPB 指令的格式为：

SWP{条件}B 目的寄存器，源寄存器1，[源寄存器2]

SWPB 指令用于将源寄存器2 所指向的存储器中的字节数据传送到目的寄存器中，目的寄存器的高24 清零，同时将源寄存器1 中的字节数据传送到源寄存器2 所指向的存储器中。显然，当源寄存器1 和目的寄存器为同一个寄存器时，指令交换该寄存器和存储器的内容。

指令示例：

SWPB R0 ， R1 ， [R2] ；将 R2 所指向的存储器中的字节数据传送到 R0 ， R0 的高 24 位清零，同时将 R1 中的低 8 位数据传送到 R2 所指向的存储单元。

SWPB R0 ， R0 ， [R1] ；该指令完成将 R1 所指向的存储器中的字节数据与 R0 中的低 8 位数据交换。

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ARM 微处理器所支持批量数据加载 / 存储指令可以一次在一片连续的存储器单元和多个寄存器之间传送数据，批量加载指令用于将一片连续的存储器中的数据传送到多个寄存器，批量数据存储指令则完成相反的操作。常用的加载存储指令如下：

— LDM 批量数据加载指令

— STM 批量数据存储指令

LDM（或STM）指令

LDM（或STM）指令的格式为：

LDM（或STM）{条件}{类型} 基址寄存器{！}，寄存器列表{ ∧ }

LDM（或STM）指令用于从由基址寄存器所指示的一片连续存储器到寄存器列表所指示的多个寄存器之间传送数据，该指令的常见用途是将多个寄存器的内容入栈或出栈。其中，{类型}为以下几种情况：

IA 每次传送后地址加1；

IB 每次传送前地址加1；

DA 每次传送后地址减1；

DB 每次传送前地址减1；

FD 满递减堆栈；

ED 空递减堆栈；

FA 满递增堆栈；

EA 空递增堆栈；

{！}为可选后缀，若选用该后缀，则当数据传送完毕之后，将最后的地址写入基址寄存器，否则基址寄存器的内容不改变。基址寄存器不允许为R15，寄存器列表可以为R0～R15 的任意组合。{ ∧ }为可选后缀，当指令为LDM 且寄存器列表中包含R15，选用该后缀时表示：除了正常的数据传送之外，还将SPSR 复制到CPSR。同时，该后缀还表示传入或传出的是用户模式下的寄存器，而不是当前模式下的寄存器。

指令示例：

STMFD R13! ， {R0 ， R4-R12 ， LR} ；将寄存器列表中的寄存器（ R0 ， R4 到 R12 ， 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　LR ）存入堆栈。

LDMFD R13! ， {R0 ， R4-R12 ， PC} ；将堆栈内容恢复到寄存器（ R0 ， R4 到 R12 ， 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　LR ）。

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ARM 微处理器支持加载 / 存储指令用于在寄存器和存储器之间传送数据，加载指令用于将存储器中的数据传送到寄存器，存储指令则完成相反的操作。常用的加载存储指令如下：

— LDR 字数据加载指令

— LDRB 字节数据加载指令

— LDRH 半字数据加载指令

— STR 字数据存储指令

— STRB 字节数据存储指令

— STRH 半字数据存储指令

1、LDR 指令

LDR 指令的格式为：

LDR{条件} 目的寄存器，<存储器地址>

LDR 指令用于从存储器中将一个32 位的字数据传送到目的寄存器中。该指令通常用于从存储器中读取32 位的字数据到通用寄存器，然后对数据进行处理。当程序计数器PC 作为目的寄存器时，指令从存储器中读取的字数据被当作目的地址，从而可以实现程序流程的跳转。该指令在程序设计中比较常用，且寻址方式灵活多样。

指令示例：

LDR R0 ， [R1] ；将存储器地址为 R1 的字数据读入寄存器 R0 。

LDR R0 ， [R1 ， R2] ；将存储器地址为 R1+R2 的字数据读入寄存器 R0 。

LDR R0 ， [R1 ，＃ 8] ；将存储器地址为 R1+8 的字数据读入寄存器 R0 。

LDR R0 ， [R1 ， R2] ！ ；将存储器地址为 R1+R2 的字数据读入寄存器 R0 ，并将新地址 　　　　　　　　　　　　　R1＋ R2 写入 R1 。

LDR R0 ， [R1 ，＃ 8] ！ ；将存储器地址为 R1+8 的字数据读入寄存器 R0 ，并将新地址 　　　　　　　　　　　　　　R1 ＋ 8 写入 R1 。

LDR R0 ， [R1] ， R2 ；将存储器地址为 R1 的字数据读入寄存器 R0 ，并将新地址 R1 ＋ 　　　　　　　　　　　　R2 写入 R1 。

LDR R0 ， [R1 ， R2 ， LSL ＃ 2] ！ ；将存储器地址为 R1 ＋ R2 × 4 的字数据读入寄存器 R0 ，并将新地址 R1 ＋ R2 × 4 写入 R1 。

LDR R0 ， [R1] ， R2 ， LSL ＃ 2 ；将存储器地址为 R1 的字数据读入寄存器 R0 ，并将新地址 R1 ＋ R2 × 4 写入 R1 。

2、LDRB 指令

LDRB 指令的格式为：

LDR{条件}B 目的寄存器，<存储器地址>

LDRB 指令用于从存储器中将一个8 位的字节数据传送到目的寄存器中，同时将寄存器的高24位清零。该指令通常用于从存储器中读取8 位的字节数据到通用寄存器，然后对数据进行处理。当程序计数器PC 作为目的寄存器时，指令从存储器中读取的字数据被当作目的地址，从而可以实现程序流程的跳转。

指令示例：

LDRB R0 ， [R1] ；将存储器地址为 R1 的字节数据读入寄存器 R0 ，并将 R0 的高 24 位清零。

LDRB R0 ， [R1 ，＃ 8] ；将存储器地址为 R1 ＋ 8 的字节数据读入寄存器 R0 ，并将 R0 的高 24 位清零。

3、LDRH 指令

LDRH 指令的格式为：

LDR{条件}H 目的寄存器，<存储器地址>

LDRH 指令用于从存储器中将一个16 位的半字数据传送到目的寄存器中，同时将寄存器的高16位清零。该指令通常用于从存储器中读取16 位的半字数据到通用寄存器，然后对数据进行处理。

当程序计数器PC 作为目的寄存器时，指令从存储器中读取的字数据被当作目的地址，从而可以实现程序流程的跳转。

指令示例：

LDRH R0 ， [R1] ；将存储器地址为 R1 的半字数据读入寄存器 R0 ，并将 R0 的高 16 位清零。

LDRH R0 ， [R1 ，＃ 8] ；将存储器地址为 R1 ＋ 8 的半字数据读入寄存器 R0 ，并将 R0 的高 16 位清零。

LDRH R0 ， [R1 ， R2] ；将存储器地址为 R1 ＋ R2 的半字数据读入寄存器 R0 ，并将 R0 的高 16 位清零。

4、STR 指令

STR 指令的格式为：

STR{条件} 源寄存器，<存储器地址>

STR 指令用于从源寄存器中将一个32 位的字数据传送到存储器中。该指令在程序设计中比较常用，且寻址方式灵活多样，使用方式可参考指令LDR。

指令示例：

STR R0 ， [R1] ，＃ 8 ；将 R0 中的字数据写入以 R1 为地址的存储器中，并将新地址 R1 ＋ 8 写入 R1 。

STR R0 ， [R1 ，＃ 8] ；将 R0 中的字数据写入以 R1 ＋ 8 为地址的存储器中。

5、STRB 指令

STRB 指令的格式为：

STR{条件}B 源寄存器，<存储器地址>

STRB 指令用于从源寄存器中将一个8 位的字节数据传送到存储器中。该字节数据为源寄存器中的低8 位。

指令示例：

STRB R0 ， [R1] ；将寄存器 R0 中的字节数据写入以 R1 为地址的存储器中。

STRB R0 ， [R1 ，＃ 8] ；将寄存器 R0 中的字节数据写入以 R1 ＋ 8 为地址的存储器中。

6、STRH 指令

STRH 指令的格式为：

STR{条件}H 源寄存器，<存储器地址>

STRH 指令用于从源寄存器中将一个16 位的半字数据传送到存储器中。该半字数据为源寄存器中的低16 位。

指令示例：

STRH R0 ， [R1] ；将寄存器 R0 中的半字数据写入以 R1 为地址的存储器中。

STRH R0 ， [R1 ，＃ 8] ；将寄存器 R0 中的半字数据写入以 R1 ＋ 8 为地址的存储器中。

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ARM 微处理器支持程序状态寄存器访问指令，用于在程序状态寄存器和通用寄存器之间传送数据，程序状态寄存器访问指令包括以下两条：

— MRS 程序状态寄存器到通用寄存器的数据传送指令

— MSR 通用寄存器到程序状态寄存器的数据传送指令

1、 MRS 指令

MRS 指令的格式为：

MRS{条件} 通用寄存器，程序状态寄存器（CPSR 或SPSR）

MRS 指令用于将程序状态寄存器的内容传送到通用寄存器中。该指令一般用在以下几种情况：

－ 当需要改变程序状态寄存器的内容时，可用 MRS 将程序状态寄存器的内容读入通用寄存器，修改后再写回程序状态寄存器。

－ 当在异常处理或进程切换时，需要保存程序状态寄存器的值，可先用该指令读出程序状态寄存器的值，然后保存。

指令示例：

MRS R0 ， CPSR ；传送 CPSR 的内容到 R0

MRS R0 ， SPSR ；传送 SPSR 的内容到 R0

2、 MSR 指令

MSR 指令的格式为：

MSR{条件} 程序状态寄存器（CPSR 或SPSR）_<域>，操作数

MSR 指令用于将操作数的内容传送到程序状态寄存器的特定域中。其中，操作数可以为通用寄存器或立即数。<域>用于设置程序状态寄存器中需要操作的位，32 位的程序状态寄存器可分为4 个域：

位[31：24]为条件标志位域，用f 表示；

位[23：16]为状态位域，用s 表示；

位[15：8]为扩展位域，用x 表示；

位[7：0]为控制位域，用c 表示；

该指令通常用于恢复或改变程序状态寄存器的内容，在使用时，一般要在MSR 指令中指明将要操作的域。

指令示例：

MSR CPSR ， R0 ；传送 R0 的内容到 CPSR

MSR SPSR ， R0 ；传送 R0 的内容到 SPSR

MSR CPSR_c ， R0 ；传送 R0 的内容到 SPSR ，但仅仅修改 CPSR 中的控制位域