微機(jī)原理與嵌入式接口技術(shù)課件：Cortex-M3 的指令系統(tǒng)與匯編程序設(shè)計(jì)

Cortex-m3的指令系統(tǒng)

與匯編程序設(shè)計(jì)3.1CM3指令的結(jié)構(gòu)3.2CM3指令的尋址方式3.3CM3指令集3.4ARM匯編程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)組習(xí)題3

本章要點(diǎn)

☆CM3指令的結(jié)構(gòu)

☆CM3指令的尋址方式

☆CM3指令集

☆A(yù)RM匯編程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

3.1CM3指令的結(jié)構(gòu)

3.1.1Thumb2指令集CUP依靠指令來完成計(jì)算和控制任務(wù)，每款CUP在設(shè)計(jì)時(shí)就規(guī)定了一系列與其硬件電路相匹配的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)的強(qiáng)弱是CUP的重要指標(biāo)，是提高微處理器效率的最有效工具之一。

ARM指令集為32位指令集，可以實(shí)現(xiàn)ARM架構(gòu)下的所有功能。Thumb指令集是對(duì)32位ARM指令集的擴(kuò)充，它的目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)更高的代碼密度。Thumb指令集實(shí)現(xiàn)的功能只是32位ARM指令集的子集，它僅僅把常用的ARM指令壓縮成16位的指令編碼方式。

Thumb－2技術(shù)改善了Thumb指令集的性能，它在原有的Thumb指令的基礎(chǔ)上進(jìn)行了如下的擴(kuò)充：增加了一些新的16位Thumb指令來改進(jìn)程序的執(zhí)行流程，增加了一些新的32位Thumb指令以實(shí)現(xiàn)一些ARM指令的專有功能，解決了之前Thumb指令集不能訪問協(xié)處理器、特權(quán)指令和特殊功能指令的局限。Thumb－2指令集可以實(shí)現(xiàn)所有的功能，這樣就不需要在ARM／Thumb狀態(tài)之間反復(fù)切換了，代碼密度和性能得到了顯著的提高，但值得注意的是Thumb－2并不支持32位ARM指令集。

如圖3.1所示，Cortex-m3處理器支持Thumb2指令集，但并不支持所有的Thumb-2指令，架構(gòu)于ARMv7上的Cortex-m3只要求實(shí)現(xiàn)Thumb2的一個(gè)子集。圖3.1Thumb2指令集與Thumb指令集的關(guān)系

例程3.1寄存器相加。

3.1.2CM3指令的格式

指令是構(gòu)成程序的基本單元，程序是指令的有序集合。指令的基本格式如下：

<指令助記符>{<執(zhí)行條件>}{S}{P}<目標(biāo)寄存器>，<操作數(shù)1的寄存器>{，<操作數(shù)2>}<pcode>{<cond>}

{S}

{P}<Rd>，<Rn>{，<operand2>}其中，<>內(nèi)的項(xiàng)是必需的，{

}內(nèi)的項(xiàng)是可選的。如<opcode>指令助記符是必須書寫的；{cond}為指令執(zhí)行條件，是可選項(xiàng)，若不書寫則使用默認(rèn)的條件AL（無條件執(zhí)行）。

opcode：指令助記符，如LDR、STR等，表示了該指令需要執(zhí)行的動(dòng)作。

cond：條件后綴，當(dāng)后綴條件滿足時(shí)指令被執(zhí)行，如EQ、NR等，參考表3.1。

S：S后綴，表明是否更新APSR狀態(tài)寄存器的值，書寫時(shí)指令執(zhí)行結(jié)果影響APSR。

P：P后綴，指定指令的編碼類型，其定義如下：

（1）當(dāng)指定P為.N時(shí)，則該指令指定編譯為16位Thumb2編碼指令，且其前提是該指令支持16位長度編碼，若不支持將導(dǎo)致編譯錯(cuò)誤。

（2）當(dāng)指定P為.W時(shí)，則該指令指定編譯為32位Thumb2編碼指令，且其前提是該指令支持32位長度編碼，若不支持將導(dǎo)致編譯錯(cuò)誤。

（3）若未指定指令編碼類型，則由編譯器自動(dòng)選擇指令的類型，且根據(jù)指令存在的編碼類型優(yōu)先選擇16位指令，實(shí)際編程時(shí)一般不指定指令的編碼類型。

例程3.2指令格式舉例。

3.1.3CM3指令的后綴

在Cortex-m3處理器中，指令可以帶后綴，后綴主要有條件后綴、S后綴和P后綴，S后綴和P后綴前面已介紹過，這里主要介紹條件后綴。

例程3.3條件后綴應(yīng)用示例。

在Coetex-m3中，下列指令將會(huì)更新APSR中的標(biāo)志位：

（1）16位算術(shù)邏輯指令；

（2）32位帶S后綴的算術(shù)邏輯指令；

（3）比較指令和測(cè)試指令；

（4）直接操作APSR指令（MSR指令）。

3.2CM3指令的尋址方式

從存放的物理位置來看，操作數(shù)存放在程序空間、寄存器空間和主存儲(chǔ)器空間三處地方，如圖3.2所示。所謂尋址就是尋找操作數(shù)的方式，為方便地尋找存放于不同空間的操作數(shù)，產(chǎn)生了諸多的尋址方式。

3.2.1立即操作數(shù)的尋址

立即操作數(shù)作為指令的一個(gè)部分存在于程序空間。在取出指令的同時(shí)也就取出了這個(gè)可以立即使用的操作數(shù)（也稱為立即數(shù)）。立即數(shù)實(shí)際上就是程序中的常數(shù)，用于給變量賦初值。除非修改程序，常數(shù)性質(zhì)的立即數(shù)是不會(huì)發(fā)生變化的，這種尋址方式通常稱為立即尋址。

例程3.4立即尋址應(yīng)用示例。

說明：前綴“＃”表示立即數(shù)，“0x”表示16進(jìn)制數(shù)值。

從表3.2可以看出，ARM將32位指令分為兩個(gè)部分。

立即數(shù)要滿足一定的生成規(guī)則：即每個(gè)立即數(shù)由一個(gè)8位的常數(shù)循環(huán)右移偶數(shù)位得到，其中循環(huán)右移的位數(shù)用一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)的兩倍表示。如果立即數(shù)記作<immediate>，8位常數(shù)記作immed＿8，4位的循環(huán)右移值記作rotate_imm，則有

ARM匯編編譯器按照下面的規(guī)則生成立即數(shù)的編碼。

（1）當(dāng)立即數(shù)數(shù)值在0～0xFF范圍時(shí)，rotate_imm=

0。

（2）其他情況下，匯編編譯器選擇使rotate_imm數(shù)值最小的編碼方式。

判斷一個(gè)數(shù)是否為合法的立即數(shù)，首先將這個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換為32位的十六進(jìn)制形式，例如

218＝0xDＡ＝0x0000＿00DＡ，并按下面規(guī)則判斷。

（1）除零外，僅有一位數(shù)的為合法立即數(shù)。

（2）除零外，僅有兩位數(shù)，并且相鄰（包括首尾，如0x1000000Ａ）的為合法立即數(shù)。

（3）除零外，僅有三位數(shù)，并且相鄰（包括中間有0，例如0x10800000；包括首尾相鄰，例如0x14000003），這三位數(shù)中，最高位取值僅能為1、2、3，最低位取值僅能為4、8、Ｃ，中間位0x0～0xF。這種組合的為合法立即數(shù)。

除以上三種外，其他基本是無法滿足生成規(guī)則的非法立即數(shù)。

3.2.2寄存器操作數(shù)的尋址

1.寄存器尋址

當(dāng)操作數(shù)位于寄存器中，指令中的地址碼字段指出的是寄存器編號(hào)，指令執(zhí)行時(shí)直接取出寄存器值來操作。寄存器尋址方式是一種簡單快捷的尋址方式，執(zhí)行效率高，源和目的操作數(shù)都可以位于寄存器中。

2.寄存器移位尋址

寄存器移位尋址是Cortex-M3指令集特有的尋址方式。

可用的移位操作如下：

·LSL：邏輯左移，寄存器中數(shù)據(jù)位低端空出的位補(bǔ)0。

·LSR：邏輯右移，寄存器中數(shù)據(jù)位高端空出的位補(bǔ)0。

·ASR：算術(shù)右移，移位過程中保持符號(hào)位不變，即若源操作數(shù)為正數(shù)，則數(shù)據(jù)位的高端空出的位補(bǔ)0，否則補(bǔ)1。

·ROR：循環(huán)右移（RotateRight），從數(shù)據(jù)位低端移出的位填入數(shù)據(jù)位高端空出的位。

·RRX：帶擴(kuò)展的循環(huán)右移，操作數(shù)右移一位，高端空出的位用原Ｃ標(biāo)志值填充。

算術(shù)左移與邏輯左移的規(guī)則完全相同。各種移位操作如圖3.3所示。圖3.3移位操作示意圖

3.多寄存器尋址

多寄存器尋址即一次可傳送幾個(gè)寄存器值，允許一條指令傳送16個(gè)寄存器的任何子集或所有寄存器。

例程3.7多寄存器尋址應(yīng)用示例。

3.2.3存儲(chǔ)器操作數(shù)的尋址

1.寄存器間接尋址

指令中的地址碼給出的是一個(gè)通用寄存器的編號(hào)，所需的操作數(shù)保存在寄存器指定地址的存儲(chǔ)單元中，即寄存器為操作數(shù)的地址指針。

例程3.8寄存器間接尋址應(yīng)用示例。

2.基址尋址

1）基址尋址

基址尋址就是將基址寄存器的內(nèi)容與指令中給出的偏移量相加，形成操作數(shù)的有效地址。

例程3.9基址尋址應(yīng)用示例。

2）相對(duì)尋址

相對(duì)尋址是基址尋址的一種變通。由程序計(jì)數(shù)器（PC）提供基準(zhǔn)地址，指令中的地址碼字段作為偏移量，兩者相加后得到的地址即為操作數(shù)的有效地址。

例程3.10相對(duì)尋址應(yīng)用示例。

3.堆棧尋址

堆棧是按照“先進(jìn)后出”規(guī)則管理的存儲(chǔ)器區(qū)域，無論是傳統(tǒng)的ARM7還是現(xiàn)在的Cortex-m3，對(duì)堆棧操作都是通過堆棧指針（SP）來進(jìn)行的，隨著堆棧內(nèi)容的增減，堆棧指針也進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)。如圖3.4所示，一般情況下對(duì)于嵌入式處理器支持兩種堆棧指針的移動(dòng)方向，即“堆棧的生長方向”。圖3.4堆棧的生長方向

向上生長：在向堆棧寫入數(shù)據(jù)后，堆棧指針的值變大，也就是向高地址方向生長，稱之為“遞增堆?！?。

向下生長：在向堆棧寫入數(shù)據(jù)后，堆棧指針的值變小，也就是向低地址方向生長，稱之為“遞減堆?！薄?/p>

除了要考慮堆棧指針的增長方向之外，還要考慮堆棧指針指向的存儲(chǔ)單元是否已經(jīng)保存有堆棧數(shù)據(jù)，或者說在入棧時(shí)是否可以直接向堆棧指針指向的存儲(chǔ)單元寫入數(shù)據(jù)。一般的ARM處理器將此種情況分為“滿堆?！焙汀翱斩褩！?，如圖3.5所示。圖3.5堆棧的空滿特性

滿堆棧：堆棧指針指向最后壓入棧的有效數(shù)據(jù)項(xiàng)，此種堆棧的入棧操作要先調(diào)整指針再寫入數(shù)據(jù)。

空堆棧：堆棧指針指向下一個(gè)待壓入數(shù)據(jù)的空位置，此種堆棧的入棧操作要先寫入數(shù)據(jù)再調(diào)整指針。

綜合前面的堆棧生長方向和空滿特性，一共可以得到四種堆棧類型，分別為：

滿遞增：堆棧通過增大存儲(chǔ)器的地址向上增長，棧頂指向含有效數(shù)據(jù)的最高地址；

空遞增：堆棧通過增大存儲(chǔ)器的地址向上增長，棧頂指向堆棧上的第一個(gè)空位置；

滿遞減：堆棧通過減小存儲(chǔ)器的地址向下增長，棧頂指向含有效數(shù)據(jù)的最低地址；

空遞減：堆棧通過減小存儲(chǔ)器的地址向下增長，棧頂指向堆棧下的第一個(gè)空位置。

例程3.11堆棧尋址應(yīng)用示例。

3.3CM3指令集

3.3.1存儲(chǔ)器訪問指令Cortex-m3處理器對(duì)存儲(chǔ)器的訪問只能通過加載和存儲(chǔ)指令來實(shí)現(xiàn)。加載指令LDR是把存儲(chǔ)器中的內(nèi)容加載到寄存器中，而存儲(chǔ)指令STR則是把寄存器內(nèi)容存儲(chǔ)至存儲(chǔ)器中，其指令傳送過程中的數(shù)據(jù)類型實(shí)現(xiàn)了字節(jié)、半字、字和雙字的操作。此外，多寄存器加載和存儲(chǔ)指令可以實(shí)現(xiàn)一條指令加載和存儲(chǔ)多個(gè)寄存器的內(nèi)容，且大大提高數(shù)據(jù)操作效率。

例如通常情況下，如果要讀取4個(gè)地址連續(xù)的存儲(chǔ)單元的內(nèi)容，若采用LDR指令，可能需要8個(gè)周期，而若采用多寄存器的LDM加載指令，則只需要5個(gè)周期。Thumb－2存儲(chǔ)器訪問指令如表3.3所示。

1.LDR和STR指令——加載和存儲(chǔ)指令

LDR指令用于從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)放入寄存器中；STR指令用于將寄存器中的數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器。

例程3.12常用指令。

地址偏移量可以有以下三種格式：

（1）立即數(shù)。立即數(shù)可以是一個(gè)無符號(hào)的數(shù)值，這個(gè)數(shù)據(jù)可以加到基址寄存器，也可以從基址寄存器中減去這個(gè)數(shù)值。

（2）寄存器。寄存器中的數(shù)值可以加到基址寄存器中，也可以從基址寄存器中減去這個(gè)數(shù)值。

（3）寄存器及移位常數(shù)。寄存器移位后的值可以加到基址寄存器，也可以從基址寄存器中減去這個(gè)數(shù)值。

按照尋址方式的地址計(jì)算方法分，加載和存儲(chǔ)指令可以有以下四種形式。

（1）零偏移。Rn的值作為傳送數(shù)據(jù)的地址，即地址偏移量為0。

例程3.16零偏移應(yīng)用示例。

（2）前索引偏移。在數(shù)據(jù)傳送之前，將偏移量加到Rn中，其結(jié)果作為數(shù)據(jù)傳送的存儲(chǔ)地址。若使用后綴“！”，則結(jié)果回寫到Rn中，且Rn的值不允許為R15。

例程3.17前索引偏移應(yīng)用示例。

（3）后索引偏移。Rn的值用做傳送數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址。在數(shù)據(jù)傳送后，將偏移量與Rn相加，結(jié)果寫回Rn中，Rn不允許是R15。

例程3.18后索引偏移應(yīng)用示例。

（4）程序相對(duì)偏移。程序相對(duì)偏移是前索引形式的另一個(gè)版本。匯編器由PC寄存器計(jì)算偏移量，并將PC寄存器作為Rn生成前索引指令。不能使用后綴“！”。

例程3.19程序相對(duì)偏移應(yīng)用示例。

2.LDM和STM指令——多寄存器加載／存儲(chǔ)指令

LDM／STM的主要用途是較大數(shù)據(jù)量的復(fù)制、參數(shù)傳遞等。其常用的指令主要有：

指令支持的模式說明：

以上四種傳輸模式都是小端模式，其傳輸都是高地址數(shù)據(jù)加載到高寄存器，低地址數(shù)據(jù)加載到低寄存器，高寄存器存儲(chǔ)到高地址，低寄存器存儲(chǔ)到低地址。

指令格式中，寄存器Rn為基址寄存器，裝有傳送數(shù)據(jù)的初始地址，Rn不允許為R15；后綴“！”表示最后的地址回寫到Rn中。寄存器reglist

可包含多于一個(gè)寄存器或包含寄存器范圍，使用“，”分開，如{R1，R2，R6-R9}，寄存器由小到大排列。

例程3.20多寄存器傳送指令應(yīng)用示例。

多寄存器傳送指令示意圖如圖3.6所示，其中R1為指令執(zhí)行前的基址寄存器，R1′則為指令執(zhí)行完后的基址寄存器。圖3.6多寄存器傳送示意

STM／LDM與PUSH/POP的區(qū)別：

（1）STM／LDM能對(duì)任意的地址空間進(jìn)行操作，而PUSH/POP只能對(duì)堆棧空間進(jìn)行操作；

（2）STM／LDM同時(shí)支持向上和向下兩種生長方式，而PUSH/POP只能支持向上生長；

（3）當(dāng)兩對(duì)指令的操作數(shù)都為SP時(shí)，STM／LDM可以選擇是否回寫修改SP，而PUSH/POP指令會(huì)自動(dòng)修改SP值。

3.3.2數(shù)據(jù)處理運(yùn)算指令

數(shù)據(jù)處理運(yùn)算指令可分為以下幾類：數(shù)據(jù)傳送指令，算術(shù)邏輯運(yùn)算指令，位段處理指令，字節(jié)序反轉(zhuǎn)指令，有符號(hào)擴(kuò)展指令，比較指令以及乘除法和飽和運(yùn)算指令。

以下的指令列表中，僅支持32位編碼的指令，其后綴.Ｗ可以省略。各個(gè)指令列表中上標(biāo)有以下含義。

［1］表示指令中的參數(shù)目的寄存器RD如果被忽略，則Rn將變成目的寄存器。

［2］表示指令中的參數(shù)lsb，其取值范圍為0≤lsb≤31；參數(shù)width，其取值范圍為：

1≤width≤（32－lsb）。

［3］表示指令中的參數(shù)rotation，其取值只能為ROR＃8、ROR＃16、ROR＃24中的一個(gè)。

1.數(shù)據(jù)傳送指令

MOV指令可以用于寄存器間的數(shù)據(jù)傳輸，也能用于加載立即數(shù)。Thumb-2數(shù)據(jù)傳送指令如表3.4所示。

例程3.21數(shù)據(jù)傳送指令應(yīng)用示例。

2.算術(shù)邏輯運(yùn)算指令

算術(shù)邏輯運(yùn)算指令主要包括加法指令、減法指令以及移位操作指令。Thumb-2算術(shù)邏輯運(yùn)算指令如表3.5所示。

例程3.22算術(shù)邏輯運(yùn)算指令應(yīng)用示例。

3.位段處理指令

位段處理指令主要包括位段清零、位段插入以及位反轉(zhuǎn)等指令，其對(duì)位處理特別是I/O處理的效率比較高。Thumb－2位段處理指令如表3.6所示。

4.字節(jié)序反轉(zhuǎn)指令

字節(jié)序反轉(zhuǎn)指令專門服務(wù)于小端模式和大端模式的轉(zhuǎn)換，最常見于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中（網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序是大端，主機(jī)字節(jié)序常是小端的）。Thumb－2字節(jié)序反轉(zhuǎn)指令如表3.7所示。

例程3.24字節(jié)序反轉(zhuǎn)指令應(yīng)用示例（假設(shè)此處的R2＝0x12345687）。

5.有符號(hào)擴(kuò)展指令

有符號(hào)擴(kuò)展指令主要包括有符號(hào)擴(kuò)展一個(gè)字節(jié)、有符號(hào)擴(kuò)展一個(gè)半字以及相應(yīng)的無符號(hào)擴(kuò)展指令，主要用于提取字中的某個(gè)字節(jié)信息或半字信息，是為優(yōu)化Ｃ語言的強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換而設(shè)的，可把數(shù)據(jù)寬度轉(zhuǎn)換成處理器喜歡的32位長度。Thumb－2有符號(hào)擴(kuò)展指令如表3.8所示。

例程3.25有符號(hào)擴(kuò)展指令應(yīng)用示例（假設(shè)此處的R2＝0x12348756）。

6.比較指令

比較指令主要包括比較指令和測(cè)試指令。該類指令自動(dòng)更新APSR的標(biāo)志位。由于其用法簡單，在此不再做詳細(xì)介紹。Thumb－2比較指令如表3.9所示。

7.硬件乘除法和飽和運(yùn)算指令

硬件乘除法指令主要包括乘加、乘減指令和飽和運(yùn)算指令，并能產(chǎn)生64位積。Thumb－2硬件乘除法和飽和運(yùn)算指令如表3.10所示。

例程3.26硬件乘除法指令應(yīng)用示例。

3.3.3分支轉(zhuǎn)移指令

在Cortex-M3中有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)程序的跳轉(zhuǎn)，一種是使用分支轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)，另一種則是向PC寄存器直接賦值實(shí)現(xiàn)。Thumb-2分支轉(zhuǎn)移指令如表3.11所示，主要包括B轉(zhuǎn)移指令、比較轉(zhuǎn)移指令、IF-THEN指令塊和查表轉(zhuǎn)移指令等。以上的指令列表中僅支持32位編碼的指令，其后綴.Ｗ可以省略。

1.B

轉(zhuǎn)移指令

B

指令是跳轉(zhuǎn)到指定的地址執(zhí)行程序，若是帶鏈接的B指令，則還需要將B

指令的下一條指令地址拷貝到LR

鏈接寄存器中，然后跳轉(zhuǎn)到指定地址運(yùn)行程序。

2.比較轉(zhuǎn)移指令

比較轉(zhuǎn)移指令是根據(jù)比較寄存器的內(nèi)容來決定是否進(jìn)行程序的跳轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移。

3.IF-THEN指令塊

IT（F-THEN）指令塊是圍起一個(gè)指令塊，塊里面最多可以有四條指令，且圍起來的指令必須都是條件執(zhí)行的。

T指令的使用形式如下：

IT指令并不影響APSR的標(biāo)志位，且其指令塊中不允許有任何的程序跳轉(zhuǎn)指令，除了出現(xiàn)異常返回。另外IT

指令塊中不允許存在更新APSR標(biāo)志的指令，因此指令塊中不可以包含CMP、CMN

和TST

指令以及含有更新APSR標(biāo)志的指令形式。

例程3.29ＩＴ指令應(yīng)用示例。

4.查表轉(zhuǎn)移指令

查表轉(zhuǎn)移指令TBB

和TBH分別用于從一個(gè)字節(jié)／半字?jǐn)?shù)組表中查找轉(zhuǎn)移地址。

例程3.30查表轉(zhuǎn)移指令應(yīng)用示例。

3.3.4其他指令

Cortex-M3的其他指令如表3.12所示。

1.系統(tǒng)服務(wù)指令

系統(tǒng)服務(wù)指令主要包括軟中斷指令、斷點(diǎn)指令、CPS指令和操作特殊功能寄存器指令。

2.睡眠控制指令

WFI：該指令等待中斷異常發(fā)生。程序運(yùn)行該指令后程序掛起，不再繼續(xù)執(zhí)行，直到發(fā)生中斷異常喚醒CUP。

ＷFE：該指令等待事件喚醒，用于多核的處理器系統(tǒng)中。

SEV：該指令發(fā)送事件喚醒CUP，主要用于多核的處理器系統(tǒng)中。

3.同步隔離指令

DMB：僅當(dāng)所有在它前面的存儲(chǔ)器訪問都執(zhí)行后，才提交它后面的存儲(chǔ)器訪問動(dòng)作。

DSB：僅當(dāng)所有在它前面的存儲(chǔ)器訪問都執(zhí)行完畢后，才執(zhí)行它后面的指令。

ISB：清空流水線緩沖區(qū)，以保證所有在它前面的指令都執(zhí)行完畢之后，才執(zhí)行它后面的指令。

3.3.5偽指令

偽指令不是指令集中的指令，但是可以像其他ARM指令一樣使用，只是在匯編時(shí)將這些偽指令解釋為相應(yīng)指令的組合。Cortex-M3的偽指令如表3.13所示。

1.ADR——小范圍地址讀取偽指令

ADR指令將基于PC相對(duì)偏移的地址值讀取到寄存器中。其偏移量必須是正數(shù)并小于1KB。在用ADR

偽指令將一個(gè)地址裝載到一個(gè)寄存器時(shí)，不是裝載地址的絕對(duì)值，而是裝載地址和PC寄存器的差值，即相對(duì)地址。

2.LDR——大范圍地址讀取偽指令

LDR偽指令用于加載32位立即數(shù)或一個(gè)地址值到指定寄存器。且如果匯編器發(fā)現(xiàn)要產(chǎn)生的立即數(shù)是一個(gè)程序地址，它會(huì)自動(dòng)將LSB

置位，若是數(shù)據(jù)地址，則不會(huì)自動(dòng)置位LSB。

3.NOP偽指令

NOP偽指令是空操作（無操作）指令。指令執(zhí)行后不影響任何寄存器和內(nèi)存單元，只是消耗了CUP的一點(diǎn)時(shí)間。NOP偽指令在匯編后，也會(huì)生成一條類似于MOVR0，R0的指令。

指令格式如下：NOP

NOP多用于軟件延遲，且NOP指令不改變ALU

狀態(tài)標(biāo)志。

3.4ARM匯編程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

3.4.1ARM匯編指示命令在ARM匯編語言程序里，有一些特殊指令助記符，這些助記符與指令系統(tǒng)的助記符不同，沒有相對(duì)應(yīng)的操作碼，通常將這些特殊指令助記符稱為匯編指示命令，與x86所稱的偽指令相對(duì)應(yīng)。

在ARM的匯編程序中，有如下幾種匯編指示命令：

·符號(hào)定義匯編指示命令。

·數(shù)據(jù)定義匯編指示命令。

·匯編控制匯編指示命令。

·結(jié)構(gòu)描述匯編指示命令。

·報(bào)告匯編指示命令。

·其他匯編指示命令。

1.符號(hào)定義匯編指示命令

符號(hào)定義匯編指示命令用于定義ARM匯編程序的變量，對(duì)變量進(jìn)

行賦值及定義寄存器名稱。該類主要的匯編指示命令如下：

·全局變量聲明：GBLA、GBLL

和GBLS。

·局部變量聲明：LCLA、LCLL

和LCLS。

·變量賦值：SETA、SETLL

和SETS。

·為一個(gè)通用寄存器列表定義名稱：RLIST。

1）GBLA、GBLL和GBLS

GBLA、GBLL和GBLS匯編指示命令用于聲明一個(gè)ARM程序的全局變量，并將其初始化。

GBLA

匯編指示命令用于聲明一個(gè)全局的算術(shù)變量，并將其初始化為0。

GBLL

匯編指示命令用于聲明一個(gè)全局的邏輯變量，并將其初始化為{FALSE}。

GBLS

匯編指示命令用于聲明一個(gè)全局的字符串變量，并將其初始化為空字符串“”。

2）LCLA、LCLL

和LCLS

LCLA、LCLL

和LCLS

匯編指示命令用于聲明一個(gè)ARM程序的局部變量，并將其初始化。

LCLA匯編指示命令用于聲明一個(gè)局部的算術(shù)變量，并將其初始化為0。

LCLL

匯編指示命令用于聲明一個(gè)局部的邏輯變量，并將其初始化為{FALSE}。

LCLS

匯編指示命令用于聲明一個(gè)局部的字符串變量，并將其初始化為空字符串“”。

3）SETA、SETL

和SETS

SETA，SETL

和SETS

匯編指示命令用于給一個(gè)ARM程序中的變量賦值。

SETA

匯編指示命令用于給一個(gè)全局／局部的算術(shù)變量賦值。

SETL

匯編指示命令用于給一個(gè)全局／局部的邏輯變量賦值。

SETS

匯編指示命令用于給一個(gè)全局／局部的字符串變量賦值。

4）RLIST

RLIST

為一個(gè)通用寄存器列表定義名稱。使用該匯編指示命令定義的名稱可在ARM指令LDM／STM中使用。在LDM／STM指令中，列表中的寄存器訪問次序根據(jù)寄存器的編號(hào)由低到高，而與列表中的寄存器排列次序無關(guān)。

2.數(shù)據(jù)定義匯編指示命令

數(shù)據(jù)定義匯編指示命令用于數(shù)據(jù)表定義、文字池定義、數(shù)據(jù)空間分配等。該類匯編指示命令如下：

·聲明一個(gè)文字池：LTORG。

·定義一個(gè)結(jié)構(gòu)化的內(nèi)存表中的首地址：MAP。

·定義結(jié)構(gòu)化內(nèi)存表中的一個(gè)數(shù)據(jù)域：FLELD。

·分配一塊內(nèi)存單元，并用0初始化：SPＡＣＥ。

·分配一段字節(jié)的內(nèi)存單元，并用指定的數(shù)據(jù)初始化：DＣＢ。

·分配一段字的內(nèi)存單元，并用指定的數(shù)據(jù)初始化：DCD

和DCDU。

·分配一段字的內(nèi)存單元，將每個(gè)單元的內(nèi)容初始化為該單元相對(duì)于靜態(tài)基址寄存器的偏移量：DCDO。

·分配一段字的內(nèi)存單元，并用雙精度的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)初始化：DCFD和DCFDU。

·分配一段字的內(nèi)存單元，并用單精度的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)初始化：DCFS

和DCFSU。

·分配一段字的內(nèi)存單元，并用單精度的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)初始化，指定內(nèi)存單元存放的是代碼，而不是數(shù)據(jù)：DCI。

·分配一段雙字的內(nèi)存單元，并用64位的整數(shù)數(shù)據(jù)初始化：DCQ和DCQU。

·分配一段半字的內(nèi)存單元，并用指定的數(shù)據(jù)初始化：DCW和DCWU。

1）LTORG

LTORG

用于聲明一個(gè)文字池，在使用LDR偽指令時(shí)，匯編器會(huì)將偽指令中的32位立即數(shù)（或地址）存入文字池。若沒有使用LTORG

聲明文字池，則匯編器會(huì)在程序末尾自動(dòng)聲明。

2）MAP

MAP

用于定義一個(gè)結(jié)構(gòu)化的內(nèi)存表的首地址。此時(shí)，內(nèi)存表的位置計(jì)數(shù)器{VAR}設(shè)置為該地址值，{VAR}為匯編器的內(nèi)置變量，“”與MAP

同義。

3）FLELD

FLELD

用于定義結(jié)構(gòu)化內(nèi)存表中的一個(gè)數(shù)據(jù)域?！埃！迸cFLELD

同義。

FLELD匯編指示命令常與MAP

匯編指示命令配合使用，用來定義結(jié)構(gòu)化的內(nèi)存表。MAP

匯編指示命令定義內(nèi)存表的首地址；FLELD

匯編指示命令定義內(nèi)存表中的各個(gè)數(shù)據(jù)域，并可以為每個(gè)數(shù)據(jù)域指定一個(gè)標(biāo)號(hào)供其他的指令引用。

注意，

MAP

和FLELD

匯編指示命令僅用于定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并不實(shí)際分配存儲(chǔ)單元。

4）SPACE

SPACE用于分配一塊內(nèi)存單元，并用0初始化?！埃ァ迸cSPACE同義。

5）DCB

DCB用于分配一段字節(jié)的內(nèi)存單元，并用DCB命令中的expr初始化，一般可用來定義數(shù)據(jù)表格或字符串。“＝”與DCB同義。

6）DCD

DCD

用于分配一段字的內(nèi)存單元，并用匯編指示命令中的expr初始化。DCD

匯編指示命令分配的內(nèi)存需要字對(duì)齊，一般可用來定義數(shù)據(jù)表格或其他常數(shù)?！?”與DCD

同義。必要時(shí)，匯編程序在定義的第一個(gè)數(shù)字前最多插入3個(gè)填充字節(jié)，以實(shí)現(xiàn)4字節(jié)的對(duì)齊。

7）DCI

在ARM代碼中，DCI用于分配一段字節(jié)的內(nèi)存單元，用指定的數(shù)據(jù)expr初始化，指定內(nèi)存單元存放的是代碼，而不是數(shù)據(jù)。

在Thumb代碼中，DCI用于分配一段半字節(jié)的內(nèi)存單元，用指定的數(shù)據(jù)expr初始化，指定內(nèi)存單元存放的是代碼，而不是數(shù)據(jù)。

3.其他常用匯編指示命令

在匯編程序中還有一些其他的匯編指示命令經(jīng)常會(huì)被使用。

·邊界對(duì)齊：ALIGN。

·段定義：AREA。

·匯編結(jié)束：END。

·程序入口：ENTRY。

·常量定義：EQU。

1）ALIGN

ALIGN

匯編指示命令通過添加補(bǔ)丁字節(jié)使當(dāng)前位置滿足一定的對(duì)齊方式。

2）AREA

ＡAREA匯編指示命令用于定義一個(gè)代碼段或數(shù)據(jù)段。ARM匯編程序設(shè)計(jì)采用分段式設(shè)計(jì)，一個(gè)ARM源程序至少需要一個(gè)代碼段，大的程序可以包含多個(gè)代碼段及數(shù)據(jù)段。

3）END

END匯編指示命令用于指示匯編編譯器源文件結(jié)朿。每個(gè)匯編源文件均要使用一個(gè)END匯編指示命令，指示本源程序結(jié)束。

4）ENTRY

ENTRY匯編指示命令用于指定程序的入口點(diǎn)。

5）EQU

EQU匯編指示命令為數(shù)字常量，基于寄存器的值和程序中的標(biāo)號(hào)定義一個(gè)名稱。“?”與EQU同義。它的作用類似于Ｃ語言中的＃define

用來為一個(gè)常量定義名稱。

3.4.2ARM匯編語句格式

ARM（Thumb）匯編語言的語句格式如下：

在ARM匯編語句中，所有標(biāo)號(hào)必須在一行的頂格寫，而所有指令均不能頂格寫。ARM匯編器對(duì)標(biāo)識(shí)符大小寫敏感，書寫符號(hào)及指令時(shí)字母大小寫要一致。

1.常用符號(hào)

在ARM匯編語句中，符號(hào)可以代表地址、變量和數(shù)字常量。

符號(hào)的命名規(guī)則如下：

·符號(hào)由大小寫字母、數(shù)字及下劃線組成。

·除局部標(biāo)號(hào)以數(shù)字開頭外，其他的符號(hào)不能以數(shù)字開頭。

·符號(hào)區(qū)分大小寫，且所有字符都是有意義的。

·符號(hào)在其作用域范圍內(nèi)必須唯一。

·符號(hào)不能與系統(tǒng)內(nèi)部或者系統(tǒng)預(yù)定義的符號(hào)同名。

·符號(hào)不能與助記符、匯編指示命令同名。

1）變量

程序中的變量是指其值在程序的運(yùn)行過程中可以改變的量。ARM（Thumb）匯編程序所支持的變量有數(shù)字變量、邏輯變量和字符串變量。

數(shù)字變量用于在程序的運(yùn)行中保存數(shù)字值，但注意數(shù)字值的大小不應(yīng)超出數(shù)字變量所能表示的范圍。

邏輯變量用于在程序的運(yùn)行中保存邏輯值，邏輯值只有兩種取值情況：真或假。

2）數(shù)字常量

3）變量替換

程序中的變量可通過代換操作取得一個(gè)常量。代換操作符為“$

”。

如果在數(shù)字變量前面有一個(gè)代換操作符“$

”，編譯器會(huì)將該數(shù)字變量的值轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制的字符串，并用該十六進(jìn)制的字符串代換“$

”后的數(shù)字變量。

如果在邏輯變量前面有一個(gè)代換操作符“$

”，編譯器會(huì)將該邏輯變量代換為它的取值（真或假）。

如果在字符串變量前面有一個(gè)代換操作符“$

”，編譯器會(huì)將該字符串變量代換為已經(jīng)賦值給它的字符串。

4）標(biāo)號(hào)

標(biāo)號(hào)是表示程序中的指令或者數(shù)據(jù)地址的符號(hào)。標(biāo)號(hào)的生成方式可以有以下三種：

（1）基于PC的標(biāo)號(hào)。基于PC的標(biāo)號(hào)是指位于目標(biāo)指令前的標(biāo)號(hào)或程序中的數(shù)據(jù)定義匯編指示命令前的標(biāo)號(hào)。

（2）基于寄存器的標(biāo)號(hào)。

（3）絕對(duì)地址。

2.表達(dá)式和運(yùn)算符

表達(dá)式是由符號(hào)、數(shù)值、單目或多目操作符以及括號(hào)組成的。在一個(gè)表達(dá)式中，各種元素的優(yōu)先級(jí)如下所示：

·括號(hào)內(nèi)的表達(dá)式優(yōu)先級(jí)最髙。

·各種操作符有一定的優(yōu)先級(jí)。

·相鄰的單目操作符的執(zhí)行順序?yàn)樽杂蚁蜃?，單目操作符?yōu)先級(jí)髙于其他操作符。

·優(yōu)先級(jí)相同的雙目操作符的執(zhí)行順序?yàn)樽宰笙蛴摇?/p>

1）數(shù)字表達(dá)式

數(shù)字表達(dá)式一般由數(shù)字常量、數(shù)字變量、運(yùn)算符和括號(hào)構(gòu)成。

（1）數(shù)字常量。數(shù)字常量分為整數(shù)數(shù)字量和浮點(diǎn)數(shù)字量。浮點(diǎn)數(shù)字量有單精度和雙精度浮點(diǎn)數(shù)之分。

（2）數(shù)字變量。數(shù)字變量用匯編指示命令GBLA或LCLA

聲明，用SETA

賦值，代表32位數(shù)字量。

（3）運(yùn)算符。與數(shù)字表達(dá)式相關(guān)的運(yùn)算符如下：

①“＋”、“－”、“×”、“／”及“ＭＯD”算術(shù)運(yùn)算符。

以上的算術(shù)運(yùn)算符分別代表加、減、乘、除和取余數(shù)運(yùn)算。例如，以x和Ｙ表示兩個(gè)數(shù)字表達(dá)式，則：

x＋Ｙ表示x與Ｙ的和。

x－Ｙ表示x與Ｙ的差。

x×Ｙ表示x與Ｙ的乘積。

x／Ｙ表示x除以Ｙ的商。

x∶ＭＯD∶Ｙ表示x除以Ｙ的余數(shù)。

②“ROL”、“ROR”、“SHL”及“SHR”移位運(yùn)算符。

以x和Ｙ表示兩個(gè)數(shù)字表達(dá)式，以上移位運(yùn)算符代表的運(yùn)算如下：

x∶ROL∶Ｙ表示將x循環(huán)左移Ｙ位。

x∶ROR∶Ｙ表示將x循環(huán)右移Ｙ位。

x∶SHL∶Ｙ表示將x左移Ｙ位。

x∶SHR∶Ｙ表示將x右移Ｙ位。

③“AND”、“OR”、“NOT”及“EOR”按位邏輯運(yùn)算符。

以x和Ｙ表示兩個(gè)數(shù)字表達(dá)式，以上按位邏輯運(yùn)算符代表的運(yùn)算如下：

x∶AND∶Ｙ表示將x和Ｙ按位作邏輯與的操作。

x∶OR∶Ｙ表示將x和Ｙ按位作邏輯或的操作。

∶NOT∶Ｙ表示將Ｙ按位作邏輯非的操作。

x∶EOR∶Ｙ表示將x和Ｙ按位作邏輯異或的操作。

2）邏輯表達(dá)式

邏輯表達(dá)式由邏輯常量（TRUE

或者FALSE）、邏輯運(yùn)算符、關(guān)系操作符和括號(hào)組成，取值為{FALSE}或{TRUE}。

（1）關(guān)系操作符。

以x和Ｙ表示兩個(gè)邏輯表達(dá)式，以上運(yùn)算符代表的運(yùn)算如下：

x＝Ｙ表示x等于Ｙ。

x>Ｙ表示x大于Ｙ。

x<Ｙ表示x小于Ｙ。

x>＝Ｙ表示x大于或等于Ｙ。

x<＝Ｙ表示x小于或等于Ｙ。

x／＝Ｙ表示x不等于Ｙ。

x<>Ｙ表示x不等于Ｙ。

（2）邏輯運(yùn)算符。“LAND”、“LOR”、“LNOT”及“LEOR”運(yùn)算符。

以x和Ｙ表示兩個(gè)邏輯表達(dá)式，以上邏輯運(yùn)算符代表的運(yùn)算如下：

x∶LAND

∶Ｙ表示將x和Ｙ作邏輯與的操作。

x∶LOR

∶Ｙ表示將x和Ｙ作邏輯或的操作。

∶LNOT

∶Ｙ表示將Ｙ作邏輯非的操作。

x∶LEOR∶Ｙ表示將x和Ｙ作邏輯異或的操作。

3）字符串表達(dá)式

字符串表達(dá)式由字符串、字符串常量、運(yùn)算符和括號(hào)組成。字符串的最大長度為512字節(jié)，最小長度為0字節(jié)。

（1）字符串。

（2）字符串常量。

（3）運(yùn)算符。

常用的與字符串表達(dá)式相關(guān)的運(yùn)算符如下：

①“LEN”運(yùn)算符。

②“CHR”運(yùn)算符。

③“STR”運(yùn)算符。

④“LEFT”運(yùn)算符。

⑤“Right”運(yùn)算符。

⑥“CC”運(yùn)算符。

4）基于寄存器和PC的表達(dá)式

基于寄存器的表達(dá)式表示某個(gè)寄存器的值加上或減去一個(gè)數(shù)字表達(dá)式。

基于PC的表達(dá)式表示PC寄存器的值加上或減去一個(gè)數(shù)字表達(dá)式?；赑C的表達(dá)式通常由程序中的標(biāo)號(hào)與一個(gè)數(shù)字表達(dá)式組成。

3.4.3ARM匯編語言格式

在ARM（Thumb）匯編語言程序中，以程序段為單位組織代碼。段是相對(duì)獨(dú)立的指令或數(shù)據(jù)序列，具有特定的名稱。段可分為代碼段和數(shù)據(jù)段，代碼段的內(nèi)容為執(zhí)行代碼，數(shù)據(jù)段存放代碼運(yùn)行時(shí)需要用到的數(shù)據(jù)。

可執(zhí)行映像文件通常由以下幾部分構(gòu)成：

·一個(gè)或多個(gè)代碼段，代碼段的屬性為只讀。

·零個(gè)或多個(gè)包含初始化數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段，數(shù)據(jù)段的屬性為可讀寫。

·零個(gè)或多個(gè)不包含初始化數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段，數(shù)據(jù)段的屬性為可讀寫。

鏈接器根據(jù)系統(tǒng)默認(rèn)或用戶設(shè)定的規(guī)則，將各個(gè)段安排在存儲(chǔ)器中的相應(yīng)位置。因此源程序中段之間的相對(duì)位置與可執(zhí)行的映像文件中段的相對(duì)位置一般不會(huì)相同。

3.4.4ARM匯編語言基本結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方法

1.順序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

順序結(jié)構(gòu)表示程序中的各操作是按照它們出現(xiàn)的先后順序執(zhí)行的，其流程如圖3.7所示。圖3.7順序結(jié)構(gòu)

【例3.1】兩個(gè)32位數(shù)相加，并將結(jié)果儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器單元。

解：兩個(gè)32位數(shù)保存在內(nèi)存vａｌｕｅ1和vａｌｕｅ2單元。先用偽指令LDR取出第一個(gè)操作數(shù)的地址，再通過間接尋址取出操作數(shù)。以后的操作數(shù)地址都是通過加法（加4）來取得，而不是通過偽指令LDR。這樣的選擇，使指令的執(zhí)行會(huì)更快一些。最后用一條跳轉(zhuǎn)指令結(jié)束程序。使用這段代碼時(shí)，可以根據(jù)所使用的匯編環(huán)境再行修改。

【例3.2】查表程序。通過查表來求0～8的階乘。

解：查表程序是一種典型的順序程序。查表可以避免大量的計(jì)算，快捷地得到所需的結(jié)果。一般情況下，通過基址和變址尋址就可以獲得查表的結(jié)果。

·把表格的首地址存入基址寄存器。

·通過查表項(xiàng)得到偏移量，有時(shí)需要簡單計(jì)算。

·通過適當(dāng)?shù)募虞d指令就可以得到查表的結(jié)果。

整個(gè)程序安排了兩個(gè)段：代碼段和數(shù)據(jù)段。數(shù)據(jù)段里是要查的表格，當(dāng)然還有查表項(xiàng)和結(jié)果項(xiàng)。在查表以前，對(duì)查表項(xiàng)要作“乘4”的處理。因?yàn)槊總€(gè)表格項(xiàng)都是32位數(shù)據(jù)（4個(gè)字節(jié)），查表項(xiàng)加1，查表的地址要加4。查表項(xiàng)乘4才是要查表的位置。程序中通過左移兩位來實(shí)現(xiàn)“乘4”。程序中還使用了以R1為第二操作數(shù)的基址變址尋址，執(zhí)行一條指令就得到查表的結(jié)果。程序代碼如下：

2.選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

選擇結(jié)構(gòu)表示程序的處理步驟出現(xiàn)了分支，它需要根據(jù)某一特定的條件選擇其中的一個(gè)分支執(zhí)行。選擇結(jié)構(gòu)有單選擇、雙選擇和多選擇三種形式，如圖3.8所示。圖3.8選擇結(jié)構(gòu)

ARM指令的條件碼可以分為兩類。一類是從標(biāo)志出發(fā)，4個(gè)標(biāo)志對(duì)應(yīng)8個(gè)條件；另一類是從數(shù)的比較出發(fā)，根據(jù)有符號(hào)數(shù)、無符號(hào)數(shù)的比較有10種情況，對(duì)應(yīng)了10個(gè)條件碼。當(dāng)然，這兩類條件碼有重復(fù)。例如，條件