標籤（空格分隔）： ARM
Authur:atao
Start Data:2015.7.14
ARM體系體系結構概論
一、概述
1.ARM全稱：高級精簡指令集機器
2.ARM既是一個公司名，又是一種體系結構
3.RISC體系特點
1)指令集:RISC處理器減少了指令種類
2)流水線:取址、譯碼、執行
3)寄存器:RISC處理器擁有更多的通用寄存器
4)Load-store結構:處理器只處理寄存器中的數據
4.MIPS:百萬條指令/每秒
5.ARM的版本解析
1)ARMV //表示體系版本
2)ARM1 //表示核心版本
3)CPU名稱
4)開發板的名稱
6.MMU：內存保護單元
7.DSP指令集：數字信號處理
8.AHB:高速總線 APB:低速總線
9.ALU:算術邏輯單元
10.LDM:從內存加載 FA:遞增 ED:遞減
11.stmfa:入棧 ldmfa:出棧
ARM體系架構
一、馮.諾依曼結構
1.輸入設備
2.運算器
3.輸出設備
4.控制器
5.存儲器
二、哈佛結構(地址總線和數據總線是分時複用的)
1.CPU
2.程序存儲器
3.操作數存儲器
三、ARM處理器的七種模式(由CPSR的低五位控制)
1.模式 描述
2.管理(SVC) 復位或執行(SWI)
3.快速中斷(FIQ) 高優先級的中斷產生的情況
4.中斷(IRQ) 低優先級的中斷產生的情況
5.中止(Abort) 處理內存異常情況
6.未定義(Undef) 處理未定義異常情況
7.系統(System) 除了是特權模式外,其他與用戶模式一樣.
8.用戶(User) 應用程序和系統任務
注意：當發生異常會切換到前五種模式，又稱異常模式.
四、數據類型
1.字節（8位）
2.半字（16位）
3.字（32位）
4.雙字（64位）
五、程序狀態寄存器
1.CPRS的四種域（32位）
f:標誌域
s:狀態域
x:擴展域
c:控制域
2.標誌域(f)的4個狀態位
N = 負數，從ALU來的數據
Z = 零，從ALU來的數據
C = ALU操作需借位或有進位
V = ALU操作出現了溢出
ARM指令集與尋址方式
一、處理器尋址方式
1.地址：數據和指令存放的位置
2.尋址方式：尋找指令地址和操作數地址的方式
3.尋址過程：形成指令地址和操作數地址的過程
注意：數據存放的位置可以是寄存器、存儲器或I/O端口，指令存放的位置只能是存儲器中的代碼段
二、尋址方式分類
1. ARM處理器具有9種基本尋址方式：
1)寄存器尋址 mov r1, r0
2)立即尋址 mov r0, #0x12
3)寄存器移位尋址 mov r1, r0, lsl #4
4)寄存器間接尋址 ldr r1, [r0]
5)基址尋址 ldr r1, [r0, #5]
6)多寄存器尋址 ldmia r12, {r0 - r4}
7)堆棧尋址（一般用的是滿遞減棧）
操作順序爲：先進後出
向上生長：向高地址方向生長，稱爲遞增堆棧
向下生長：向低地址方向生長，稱爲慈善堆棧
四種類型的堆棧方式：
滿遞增：堆棧向上增長，堆棧指針指向內含有效數據項的最高地址。指令如LDMFA、STMFA等；
空遞增：堆棧向上增長，堆棧指針指向堆棧上的第一個空位置。指令如LDMEA、STMEA等；
滿遞減：堆棧向下增長，堆棧指針指向內含有效數據項的最低地址。指令如LDMFD、STMFD等；
空遞減：堆棧向下增長，堆棧指針向堆棧下的第一個空位置。指令如LDMED、STMED等。
注意:
8)塊拷貝尋址
9)相對尋址
三、ARM指令集
1.指令：CPU能直接識別並且能執行相關操作的命令.
2.大多數 ARMs 實現兩套指令集:
1)32-bit ARM 指令集
2)16-bit Thumb 指令集
3.ARM指令的基本格式如下：
<opcode> {<cond>} {S} <Rd> , <Rn> {,<operand2>}
解析：
<指令助記符>{<執行條件>}{是否影響CPSR的值} <地址1>， <地址2>, <地3>
4.ARM指令集–指令條件碼錶
條件碼 條件助記符 標誌 含義
0000 EQ Z=1 相等
0001 NE Z=0 不相等
0010 CS/HS C=1 無符號數大於或等於
0011 CC/LO C=0 無符號數小於
0100 MI N=1 負數
0101 PL N=0 正數或零
0110 VS V=1 溢出
0111 VC V=0 沒有溢出
1000 HI C=1,Z=0 無符號數大於
1001 LS C=0,Z=1 無符號數小於或等於
1010 GE N=V 有符號數大於或等於
1011 LT N!=V 有符號數小於
1100 GT Z=0,N=V 有符號數大於
1101 LE Z=1,N!=V 有符號數小於或等於
1110 AL 任何 無條件執行 (指令默認條件)
1111 NV 任何 從不執行(不要使用)
5.數據處理指令的組成:
1)數據傳輸: MOV MVN
2)算術邏輯運算:ADD ADC SUB SBC RSB RSC
AND ORR EOR BIC LSL LSR ASR ROR
RRX
3)比較運算: CMP CMN TST TEQ
6.數據處理命令解析
1)數據傳輸–MOV
MOV指令將8位圖立即數或寄存器傳送到目標寄存器（Rd），可用於移位運算等操作。
指令格式如下：
MOV{cond}{S} Rd,operand2
參數：operand2:立即數或寄存器，立即數必須是 "8 位圖" 數
2)數據傳輸–MVN
MVN指令將8位圖立即數或寄存器（operand2）按位取反後傳送到目標寄存器（Rd），因爲其具有取反功能，所以可以裝載範圍更廣的立即數。
指令格式如下：
MVN{cond}{S} Rd,operand2
3)算術邏輯運算–ADD
加法運算指令–ADD指令將operand2的值與Rn的值相加，結果保存到Rd寄存器。
指令格式如下：
ADD{cond}{S} Rd,Rn,operand2
4)算術邏輯運算–ADC
帶進位加法指令–ADC將operand2的值與Rn的值相加，再加上CPSR中的C條件標誌位，結果保存到Rd寄存器。
指令格式如下：
ADC{cond}{S} Rd,Rn,operand2
5)算術邏輯運算–SUB
減法運算指令–SUB指令用寄存器Rn減去operand2，結果保存到Rd中。
指令格式如下：
SUB{cond}{S} Rd,Rn,operand2
6)算術邏輯運算–RSB
逆向減法運算指令–RSB指令將operand2的值減去Rn，結果保存到Rd中。
指令格式如下：
RSB{cond}{S} Rd,Rn,operand2
7)算術邏輯運算–SBC
帶進位減法指令–SBC用寄存器Rn減去operand2，再減去CPSR中的C條件標誌位的非 (即若C標誌清零，則結果減去1)，結果保存到Rd中。
指令格式如下：
SBC{cond}{S} Rd,Rn,operand2
8)算術邏輯運算–RSC
帶借位逆向減法指令–RSC指令用寄存器operand2減去Rn，再減去CPSR中的C條件標誌位的非，結果保存到Rd中。
指令格式如下：
RSC{cond}{S} Rd,Rn,operand2
9)與操作指令–AND指令
將operand2的值與寄存器Rn的值按位作"與"操作，結果保存到Rd中。
指令格式如下：
AND{cond}{S} Rd,Rn,operand2
10)算術邏輯運算–ORR
或操作指令–ORR指令將operand2的值與寄存器Rn的值按位作"或"操作，結果保存到Rd中。
指令格式如下：
ORR{cond}{S} Rd,Rn, operand2
11)算術邏輯運算–EOR（可用於交換兩個數）
異或操作指令–EOR指令將operand2的值與寄存器Rn的值按位作"異或"操作，結果保存到Rd中。
指令格式如下：
EOR{cond}{S} Rd,Rn, operand2
12)算術邏輯運算–BIC
位清除指令–BIC指令將寄存器Rn的值與operand2的值的反碼按位作"與"操作， 結果保存到Rd中。
指令格式如下：
BIC{cond}{S} Rd,Rn, operand2
13)比較運算–CMP（做減法）
比較指令–CMP指令將寄存器Rn的值減去operand2的值，根據操作的結果更新CPSR中的相應條件標誌位，以便後面的指令根據相應的條件標誌來判斷是否執行。
指令格式如下：
CMP{cond} Rn, operand2
14)比較運算–CMN（做加法）
負數比較指令–CMN指令使用寄存器Rn的值加上operand2的值，根據操作的結果 更新CPSR中的相應條件標誌位，以便後面的指令根據相應的條件標誌來判斷是否執行。
指令格式如下：
CMN{cond} Rn, operand2
15)位測試–TST（按位與）
位測試指令–TST指令將寄存器Rn的值與operand2的值按位作"與"操作，根據操作的結果更新CPSR中的相應條件標誌位，以便後面的指令根據相應的條件標誌來判斷是否執行。
指令格式如下：
TST{cond} Rn, operand2
16)相等測試–TEQ（按位異或）
相等測試指令–TEQ指令將寄存器Rn的值與operand2的值按位作"異或"操作，根據操作的結果更新CPSR中的相應條件標誌位，以便後面的指令根據相應的條件標誌來判斷是否執行。
指令格式如下：
TEQ{cond} Rn, operand2
6.其它命令解析：
1)移位指令在 ARM指令中不能單獨使用,只能屬於某個指令的操作數部分
2)而在 THUMB 指令中只能單獨使用
3)移位的位數可以是立即數或寄存器
LSL : 邏輯左移, 高位丟棄, 低位補 0, 如果使用立即數, 則取數範圍爲 0 - 31
LSR : 邏輯右移, 低位丟棄, 高位補 0, 如果使用立即數, 則取數範圍爲 1 - 32
ASR : 算術右移, 低位丟棄, 高位補符號, 如果使用立即數, 則取數範圍爲 1 - 32
ROR : 循環右移, 低位補到高位, 如果使用立即數, 則取數範圍爲 1 - 31
RRX : 帶標誌位的循環右移, 每次只移一位, 先將C位移入最高位, 再將最後一位移入C位,
注意, 主指令必須帶 s, 否則不會將最後一位移入C位
四、分支指令
1、分支指令 ---- B指令
該指令跳轉範圍限制在當前指令的±32M字節地址內(ARM指令爲字對齊，最低2位地址固定爲0)。
指令格式如下：
B{cond} Label
; 條數範圍: -2^23 ---- +2^23-1 條
; 地址範圍: -2^25 ---- +2^25-4 byte
應用示例：
B L1
B %f1 ;向前跳（即跳至接下來未執行的指令）
B %b2 ;向後跳（默認向後跳，即已經執行過的指令）
2、分支指令 ---- BL指令, 帶鏈接的跳轉指令
將bl指令的下一條指令地址保存到了lr中.該指令跳轉範圍限制在當前指令的±32M字節地址內(ARM指令爲字對齊，最低2位地址固定爲0)。
指令格式如下：
BL{cond} Label
; 條數範圍: -2^23 ---- +2^23-1 條
; 地址範圍: -2^25 ---- +2^25-4 byte
應用示例：
BL L1
3、分支指令 ---- BX指令, 帶狀態切換的跳轉指令
pc = Rm & 0xfffffffe, T = Rm & 1.
該指令跳轉範圍限制在當前指令的±32M字節地址內(ARM指令爲字對齊，最低2位地址固定爲0)。
指令格式如下：
BX{cond} Rm
; 條數範圍: -2^23 ---- +2^23-1 條
; 地址範圍: -2^25 ---- +2^25-4 byte
應用示例：
BX R0
4、分支指令 ---- BLX指令, 帶狀態切換帶鏈接的跳轉指令,
pc = Rm & 0xfffffffe, T = Rm & 1.
pc = Label, T = 1, lr = 下一條指令地址(PC - 4)
該指令跳轉範圍限制在當前指令的±32M字節地址內(ARM指令爲字對齊，最低2位地址固定爲0)。
指令格式如下：
BLX{cond} Rm
BLX{cond} Label
; 條數範圍: -2^23 ---- +2^23-1 條
; 地址範圍: -2^25 ---- +2^25-4 byte
應用示例：
BLX R0
BLX Label
注意, 配置 Language Settings 時要在 PCS 選項卡中選擇 ARM/Thumb interwroking 選項。
五、狀態存儲指令
- MRS
ARM處理器中，只有MRS指令可以對狀態寄存器CPSR和SPSR進行讀操作。
通過讀CPSR可以瞭解當前處理器的工作狀態。
讀SPSR寄存器可以瞭解到進入異常前的處理器狀態。
指令格式如下：
MRS{cond} Rd, psr
psr： CPSR或SPSR
- MSR
ARM處理器中，只有MSR指令可以對狀態寄存器CPSR和SPSR進行寫操作。
與MRS配合使用，可以實現對CPSR或SPSR寄存器的讀-修改-寫操作，
可以切換處理器模式、或者允許/禁止IRQ/FIQ中斷等。
MSR指令格式1 MSR{cond} psr_fields,#immed_8r
MSR指令格式2 MSR{cond} psr_fields,Rm
psr: CPSR或SPSR
fields: 指定傳送的區域，可以爲以下字母（必須小寫）的一個或者組合：
c 控制域屏蔽字節(psr[7..0])
x 擴展域屏蔽字節(psr[15..8])
s 狀態域屏蔽字節(psr[23..16])
f 標誌域屏蔽字節(psr[31..24])
immed_8r: 要傳送到狀態寄存器指定域的 8 位圖立即數
Rm: 保存要傳送到狀態寄存器指定域數據的源寄存器
實例：
mrs r0, cpsr
bic r0, r0, #(1 << 7)
msr cpsr_c, r0
六、LOAD/STORE指令
指令名 作用 示例
LDR 加載字數據 ldr r6, data
STR 存儲字數據 str r8, [r5]
LDRB 加載字節數據 ldrb r3, [r1, r3]
STRB 存儲字節數據 strb r0, [r1,#0x20]
LDRH 加載半字數據 ldrh r10, [r0], r6
STRH 存儲半字數據 strh r10, [r0], r6
LDRSB 加載有符號字節數據 ldrsb r1, [lr,#0x40]
LDRSH 加載有符號半字數據 ldrsb r1, [lr,#0x40]
七、批量寄存器加載/存儲指令
多寄存器加載/存儲指令可以實現在一組寄存器和一塊連續的內存單元之間傳輸數據。
LDM爲加載多個寄存器；STM爲存儲多個寄存器。允許一條指令傳送16個寄存器的任何 子集或所有寄存器。它們主要用於現場保護、數據複製、常數傳遞等。
指令格式如下：
LDM{cond}<模式> Rn{!},{reglist}
STM{cond}<模式> Rn{!},{reglist}
cond：指令執行的條件；
模式：控制地址的增長方式，一共有8種模式；
!：表示在操作結束後，將最後的地址寫回Rn中；
reglist ：表示寄存器列表，可以包含多個寄存器，它們使用","隔開，如{R1,R2,R6-R9}，寄存器由小到大排列；
模式:
多寄存器加載/存儲指令的8種模式如下表所示，右邊四種爲堆棧操作、左邊四種爲數據傳送操作。
數據塊傳送操作 | 堆棧操作
模式 說明 | 模式 說明
IA 每次傳送後地址加4 | FD 滿遞減堆棧
IB 每次傳送前地址加4 | ED 空遞減堆棧
DA 每次傳送後地址減4 | FA 滿遞增堆棧
DB 每次傳送前地址減4 | EA 空遞增堆棧
八、交換指令–SWP
SWP指令用於將一個內存單元(該單元地址放在寄存器Rn中)的內容讀取到一個寄存器Rd中，同時將另一個寄存器Rm的內容寫入到該內存單元中。
使用SWP可實現信號量操作。
指令格式如下：
SWP{cond}{B} Rd,Rm,[Rn]
其中，B爲可選後綴，若有B，則交換字節，否則交換32位字；
Rd用於保存從存儲器中讀入的數據；
Rm的數據用於存儲到存儲器中，若Rd與Rm相同，則爲寄存器與存儲器內容進行交換；
Rn爲要進行數據交換的存儲器地址，Rn不能與Rd和Rm相同。
九、協處理器指令
1.指令名 作用
CDP 協處理器數據操作指令
示例：CDP p7,0,c0,c2,c3,0
LDC 協處理器數據讀取指令
示例：LDC p5,c2,[R1]
STC 協處理器數據寫入指令
示例：STC p5,c1,[R0]
MCR ARM寄存器到協處理器的數據傳送指令
示例：mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0
MRC 協處理器到ARM寄存器的數據傳送指令
示例：mrc p15, 0, r5, c0, c0, 0
2，實例：
mov r1, #0x12
MCR p15, 0, r1, c1, c0, 0 ; 寫入到協處理器
MRC p15, 0, r0, c1, c0, 0 ; 讀出到寄存器
解析：
Mrc p15,0,r1,c1,c0,0
從協處理器p15的c1和c0傳輸數據到ARM處理器的r1,其中操作碼1爲0,操作碼2爲0.
十、異常處理命令
SWI 軟件中斷
SWI num
參數解析：
num: 是一個 24 位二制數, 稱爲中斷號, 處理器不解析這個號碼,
它由程序員來解析
SWI 指令是主動從用戶模式進入特權模式(管理模式)的唯一方法
實例：
if 0=1
; 切換到用戶模式
msr cpsr_c, #0xd0
swi 0x1234
endif
if 0=0
; 解析軟件中斷號
ldr r0, [lr, #-4] ; 取出中斷指令的機器碼
bic r0, r0, #0xff000000 ; 去掉高 8 位, 得到中斷號
; movs 的目的寄存器是 pc 時, 會自動將 spsr 的值存入 cpsr
movs pc, lr
; 返回到中斷的地方並恢復中斷時的程序狀態
nop
endif
十一、僞指令
1.常用僞指令
指令名 作用
DCD 分配一段字內存單元
MACRO 宏定義的開始
MEND 宏定義的結束
ALIGN 添加補丁字節使當前位置滿足一定的對齊方式
AREA 定義一個代碼段或數據段.
END 彙編源文件已結束
ENTRY 程序的入口點
NOP 空操作
EXPORT 定義一個代碼段或數據段.
IMPORT 彙編源文件已結束
INCLUDE 程序的入口點
2.宏的三種定義方法
格式：
宏定義:
MACRO
宏名 參數1, 參數2, …
宏體
MEND
宏調用:
宏名 參數1, 參數2, ...
;定義無參宏
macro
my_m1
mov r0, #0x12
mend
;定義有參宏
macro
my_swap $a, $b
eor $a, $a, $b
eor $b, $a, $b
eor $a, $a, $b
mend
;帶標號的宏
;從a加到b
macro
$lab my_sum $c, $a, $b
mov $c, #0 ;將c初始化爲0，
$lab
add $c, $c, $a
add $a, $a, #1
cmp $a, $b
ble $lab ;若比較後不相等，則循環加
mend
十二、乘法指令
助記符 說明 操作
MUL R1,R2,R3 32位乘法 R1=R2×R3
MLA R1,R2,R3,R0 32位乘加 R1=R2×R3+R0
UMULL R0,R1,R5,R8 64位無符號乘法 (R1、R0)=R5×R8
UMLAL R0,R1,R5,R8 64位無符號乘加 (R1、R0)=R5×R8+(R1、R0)
SMULL R2,R3,R7,R6 64位有符號乘法 (R3、R2)=R7×R6
SMLAL R2,R3,R7,R6 64位有符號乘加 (R3、R2)=R7×R6+(R3、R2)
十三、ARM異常處理機制
1、進入異常過程
1)將CPSR寄存器內容存入IRQ模式的SPSR寄存器中
2)修改CPSR寄存器：
將I位設置爲1（禁止IRQ中）
將T位設置爲0（進入ARM狀態）
設置MOD位，切換處理器模式至IRQ模式
3)將下一條指令的地址存入IRQ模式的lr寄存器中
4)將跳轉地址存入PC，實現跳轉
2.退出異常過程
1)將SPSR寄存器的值複製回CPSR寄存器
2)將lr寄存器的值減去一個常量後複製到PC寄存器，跳轉到被中斷的用戶程序
十四、異常處理的7個種類(按優先級高—低)
名稱 異常向量表
復位異常 Reset 0x00
數據中止異常 Data Abort 0x10
快速中斷異常 FIQ 0x1c
中斷異常 IRQ 0x18
預取址中止異常 Prefetch Abort 0x0c
SWI軟件中斷異常 Software Interrupt 0x08
未定義指令異常 Undefined Instruction 0x04
補充：
; 寄存器列表後的^的作用可以讓 SPSR 的值恢復到 CPSR 中
ldmfd sp!, {r0, r1, r12, pc}^
十五、基本編程規則
一, 寄存器的使用規則及其命名規則
1. 子程序間通過r0-r3來傳遞參數,記作A1-A4,子程序在返回前無須恢復這些寄存器
2. 子程序中,使用r4-r11來保存局部變量,記作V1-V8,如果子程序中使用到了這些寄存器,那麼在進入子程序時,應該對這些寄存器進行入棧保護,在退出子程序前, 應該出棧恢復這些寄存器.在Thumb中只使用r4-r7.
3. r12 用作過程調用中間臨時寄存器, 記作 IP.
4. r13 用作堆棧指針, 記作 SP. 在子程序中不能將其用作其它用途. SP 在進入子程序時的值和退出子程序時的值必須相等.
5. r14 稱爲連接寄存器,記作LR.用於保存子程序的返回地 址,如果在子程序中保存了返回地址, 則 r14 可用作其它用途.
6. r15 是程序計數器, 記作 PC, 不能用作其它用途.
二, 堆棧的使用規則
1. 堆棧是滿遞減棧(FD).
2. 如果彙編程序目標文件中包含了外部調用,則必須是8字節對齊的,並且在彙編程序中用 preserve8 僞指令表明本彙編程序數據是8字節對齊的.
三, 參數的傳遞規則
1. 參數個數不超過 4 個時, 通過 r0 - r3 來傳遞, 超過 4 個參數的, 其餘的參數通過棧來傳遞.
2. 返回結果爲 32 位整數, 通過 r0 來返回; 返回結果爲 64 位整數, 通過 r0和 r1 來返回; 返回結果超過 64 位的, 通過內存來返回