ARM體系結(jié)構(gòu)與常用匯編指令是什么

這篇文章給大家分享的是有關(guān)ARM體系結(jié)構(gòu)與常用匯編指令是什么的內(nèi)容。小編覺得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個(gè)參考，一起跟隨小編過來看看吧。

一、ARM體系結(jié)構(gòu)

?ARM（Advanced RISC Machines） ，既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。ARM 處理器是一種低功耗高性能的 32 位RISC 處理器，基于 ARM 的處理器以其高速度、低功耗等諸多優(yōu)異的性能而得到非常廣泛的應(yīng)用。
?ARM公司在經(jīng)典處理器ARM11以后的產(chǎn)品改用Cortex命名，并分成A、R和M三類，其分別應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。Cortex系列屬于ARMv7架構(gòu)，其中“A”系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用；“R”系列針對實(shí)時(shí)系統(tǒng)；“M”系列對微控制器。在ARM11推出前，其處理器比較：

?馮諾伊曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)的區(qū)別：

?在TQ2440開發(fā)板上使用的是S3C2440芯片。這是一款基于ARM920T核心的微處理器芯片，采用哈佛結(jié)構(gòu)使用5級指令流水線包括：取指、譯碼、執(zhí)行、存儲(chǔ)及寫入。各步驟作用分別為：
（1）取指令（fetch）：從存儲(chǔ)器中取出指令，并將其放入指令流水線。
（2）譯碼（decode）：指令被譯碼，從寄存器堆中讀取寄存器操作數(shù)。在寄存器堆中有3個(gè)操作數(shù)讀端口，因此，大多數(shù)ARM指令能在1個(gè)周期內(nèi)讀取其操作數(shù)。
（3）執(zhí)行（execute）：將其中1個(gè)操作數(shù)移位，并在ALU中產(chǎn)生結(jié)果。如果指令是Load或Store指令，則在ALU中計(jì)算存儲(chǔ)器的地址。
（4）緩沖/數(shù)據(jù)（buffer/data）：如果需要?jiǎng)t訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，否則ALU只是簡單地緩沖1個(gè)時(shí)鐘周期。
（5）回寫（write-back）：將指令的結(jié)果回寫到寄存器堆，包括任何從寄存器讀出的數(shù)據(jù)。
1.1ARM基本數(shù)據(jù)類型
?ARM采用的是32位架構(gòu)，基本數(shù)據(jù)類型有3種：Byte(字節(jié)), 8bit；Halfword(半字)，16bit(半字必須2字節(jié)邊界對齊)；Word(字)， 32bit（字必須于4字節(jié)邊界對齊）。
?長度為1個(gè)字的數(shù)據(jù)項(xiàng)占用一組4字節(jié)的位置，該位置開始于4的倍數(shù)的地址（地址最末兩位為00）半字占有兩個(gè)字節(jié)的位置，該位置開始于偶數(shù)字節(jié)地址（地址最末一位為0）。

1.2存儲(chǔ)器大/小端
?大端模式，是指數(shù)據(jù)的高字節(jié)保存在內(nèi)存的低地址中，而數(shù)據(jù)的低字節(jié)保存在內(nèi)存的高地址中。小端模式，是指數(shù)據(jù)的高字節(jié)保存在內(nèi)存的高地址中，而數(shù)據(jù)的低字節(jié)保存在內(nèi)存的低地址中。例如變量word a=0xf6734bcd，使用大/小端存儲(chǔ)格式完全不一樣。
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1.3ARM編程模型
?要想了解ARM920T為內(nèi)核芯片的主要可以從幾個(gè)方面入手：工作模式、ARM異常種類、寄存器組織、運(yùn)行狀態(tài)。
?ARM920T是基于ARM V4T 架構(gòu)，共有7種工作模式：

?七種工作模式又可以從兩個(gè)方面劃分：特權(quán)模式與非特權(quán)模式；異常模式與非異常模式。

?在異常模式下，有著不同的異常，其對應(yīng)關(guān)系為：

?ARM 處理器共有 37 個(gè)寄存器，被分為若干個(gè)組（BANK）。31 個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器（PC 指針），均為 32 位的寄存器；6 個(gè)狀態(tài)寄存器，1個(gè)CPSR（Current Program Status Register，當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器），5個(gè)SPSR（Saved Program Status Register，備份程序狀態(tài)寄存器），用以標(biāo)識 CPU 的工作狀態(tài)及程序的運(yùn)行狀態(tài)，均為 32 位。ARM有7種不同的處理器模式，在每一種處理器模式中有一組相應(yīng)的寄存器組。

? 在匯編語言中寄存器R0～R13為保存數(shù)據(jù)或地址值的通用寄存器。它們是完全通用的寄存器，不會(huì)被體系結(jié)構(gòu)作為特殊用途，并且可用于任何使用通用寄存器的指令。這些通用寄存器根據(jù)其分組與否可分為以下2類。未分組寄存器（the Unbanked Register），包括R0～R7；分組寄存器（the Banked Register），包括R8～R14。
? 未分組寄存器沒有被系統(tǒng)用于特殊的用途，任何可采用通用寄存器的應(yīng)用場合都可以使用未分組寄存器。但由于其通用性，在異常中斷所引起的處理器模式切換時(shí)，其使用的是相同的物理寄存器，所以也就很容易使寄存器中的數(shù)據(jù)被破壞。
? 分組寄存器根據(jù)處理器模式使用方法有所不同：

? 程序計(jì)數(shù)器R15（ PC），它指向正在取指的地址，在異常模式中，另外一個(gè)寄存器“ 程序狀態(tài)備份寄存器（ SPSR） ” 可以被訪問。每種異常都有自己的SPSR，在進(jìn)入異常時(shí)它保存CPSR的當(dāng)前值，異常退出時(shí)可通過它恢復(fù)CPSR。該寄存器的位分配圖為：

? ARM處理器的運(yùn)行狀態(tài)可以分為ARM與Thumb兩種狀態(tài)。其中ARM狀態(tài)下PC值為字對齊(4字節(jié))，Thumb狀態(tài)下PC值為半字對齊(2字節(jié))。

二、ARM的指令系統(tǒng)

? 在嵌入式開發(fā)中，匯編程序常常用于非常關(guān)鍵的地方，比如系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的初始化，進(jìn)出中斷時(shí)的環(huán)境保存、恢復(fù)，對性能要求非?？量痰暮瘮?shù)等。ARM 微處理器的指令集主要有 6 大類：跳轉(zhuǎn)指令、數(shù)據(jù)處理指令、程序狀態(tài)寄存器（PSR）處理指令、加載/存儲(chǔ)指令、協(xié)處理器指令、異常產(chǎn)生指令。
2.1跳轉(zhuǎn)指令
?跳轉(zhuǎn)（B）和跳轉(zhuǎn)連接（BL）指令是改變指令執(zhí)行順序的標(biāo)準(zhǔn)方式。ARM一般按照字地址順序執(zhí)行指令，需要時(shí)使用條件執(zhí)行跳過某段指令。只要程序必須偏離順序執(zhí)行，就要使用控制流指令來修改程序計(jì)數(shù)器。主要有三條指令：

2.2數(shù)據(jù)處理指令
?在了解ARM的數(shù)據(jù)處理指令之前要知道ARM的尋址方式，數(shù)據(jù)處理指令尋址方式可以分為3種：立即數(shù)尋址方式；寄存器尋址方式；寄存器移位尋址方式。其語法格式為：
<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn>,<shifter_operand>，其中，<shifter_operand>有11種形式 。

內(nèi)存訪問指令尋址方式主要有以下幾種。

LDR R0,[R1] ； R0←[R1]（將R1中的數(shù)值作為地址，取出此地址中的數(shù)據(jù)保存在R0中）
STR R0,[R1] ； [R1] ←R0

LDR R2,[R3,#4] ； R2←[R3 + 4]（將R3中的數(shù)值加4作為地址，取出此地址的數(shù)值保存在R2 中）
STR R1,[R0,#-2] ； [R0-2] ← R1

LDMIA R0,{R1,R2,R3,R5} ； R1←[R0]
(IA表示是后遞增方式）； R2←[R0 + 4]
(IB表示是先遞增方式) ； R3←[R0 + 8]
(DA和DB表示后遞減和先遞減) ； R5←[R0 + 12]

向上生長：向高地址方向生長，稱為遞增堆棧；向下生長：向低地址方向生長，稱為遞減堆棧。
堆棧指針指向最后壓入的堆棧的有效數(shù)據(jù)項(xiàng)， 稱為滿堆棧(Full Stack)；堆棧指針指向下一個(gè)要放入的空位置，稱為空堆棧(
Empty  Stack)。

? 數(shù)據(jù)操作指令是指對存放在寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的指令。包括：數(shù)據(jù)傳送指令、 算術(shù)指令、 邏輯指令、 比較與測試指令及乘法指令。 如果在數(shù)據(jù)處理指令后使用S前綴，指令的執(zhí)行結(jié)果將會(huì)影響CPSR中的標(biāo)志位。

? ARM乘法指令完成兩個(gè)數(shù)據(jù)的乘法。兩個(gè)32位二進(jìn)制數(shù)相乘的結(jié)果是64位的積。

2.3加載/存儲(chǔ)指令
? Load/Store內(nèi)存訪問指令在ARM寄存器和存儲(chǔ)器之間傳送數(shù)據(jù)。 ARM指令中有3種基本的數(shù)據(jù)傳送指令。單寄存器Load/Store指令（ Single Register）；’多寄存器Load/Store內(nèi)存訪問指令；單寄存器交換指令（ Single Register Swap）。

示例代碼：
LDR R2,[R5] ;將R5指向地址的字?jǐn)?shù)據(jù)存入R2
STR R1,[R0,#0x04] ;將R1的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到R0+0x04地址
LDRB R3,[R2],#-1 ;將R2指向地址的字節(jié)數(shù)據(jù)存入R3， R2＝R2－1

示例代碼：
    LDR R0,=SrcData ;設(shè)置源數(shù)據(jù)地址
    LDR R1,=DstData ;設(shè)置目標(biāo)地址
    LDMIA R0,{R2～R9} ;加載8字?jǐn)?shù)據(jù)到寄存器R2～R9
    STMIA R1,{R2～R9} ;存儲(chǔ)寄存器R2～R9到目標(biāo)地址

2.4程序狀態(tài)寄存器（PSR）處理指令
?ARM指令集提供了兩條指令，可直接控制程序狀態(tài)寄存器。MRS指令用于把CPSR或SPSR的值傳送到一個(gè)寄存器；MSR與之相反，把一個(gè)寄存器的內(nèi)容傳送到CPSR或SPSR。這兩條指令相結(jié)合，可用于對CPSR和SPSR進(jìn)行讀/寫操作。

（ 1）MRS指令的語法格式： 
        MRS{cond} Rd， PSR;Rd為目標(biāo)寄存器， Rd不允許為程序計(jì)數(shù)器（ PC）。 PSR為CPSR或SPSR。
指令舉例：
        MRS R1,CPSR ;將CPSR狀態(tài)寄存器讀取，保存到R1中
        MRS R2,SPSR ;將SPSR狀態(tài)寄存器讀取，保存到R1中

（2）MSR指令的語法格式
    MSR{cond} PSR_field,#immed_8r 或MSR{cond} PSR_field,Rm
        <fields>設(shè)置狀態(tài)寄存器中需要操作的位。狀態(tài)寄存器的32位可以分為4個(gè)8位的域（ field）。 
                    bits[31： 24]為條件標(biāo)志位域，用f表示； 
                    bits[23：16]為狀態(tài)位域，用s表示； 
                    bits[15： 8]為擴(kuò)展位域，用x表示； 
                    bits[7： 0]為控制位域，用c表示； 
                    immed_8r為要傳送到狀態(tài)寄存器指定域的立即數(shù)， 8位； 
                    Rm為要傳送到狀態(tài)寄存器指定域的數(shù)據(jù)源寄存器。
指令舉例：
        MSR CPSR_c,＃0xD3 ;CPSR[7:0]=0xD3,切換到管理模式
        MSR CPSR_cxsf,R3 ;CPSR=R3

2.5協(xié)處理器指令
?ARM協(xié)處理器指令可分為3類：協(xié)處理器數(shù)據(jù)操作， CDP；協(xié)處理器數(shù)據(jù)傳送指令，包括LDC和STC；協(xié)處理器寄存器傳送指令，包括MCR和MRC。

2.6異常產(chǎn)生指令
?ARM指令集中提供了兩條產(chǎn)生異常的指令，通過這兩條指令可以用軟件的方法實(shí)現(xiàn)異常。

三、ARM-THUMB 子程序調(diào)用規(guī)則 ATPCS

?為了使 C 語言程序和匯編程序之間能夠互相調(diào)用，必須為子程序間的調(diào)用制定規(guī)則，在ARM 處理器中，這個(gè)規(guī)則被稱為 ATPCS： ARM 程序和 Thumb 程序中子程序調(diào)用的規(guī)則。 基本的ATPCS 規(guī)則包括寄存器使用規(guī)則、數(shù)據(jù)棧使用規(guī)則、參數(shù)傳遞規(guī)則。
3.1、寄存器使用規(guī)則
ARM 處理器中有 r0～r15 共 16 個(gè)寄存器， 它們的用途有一些約定的習(xí)慣，并依具這些用途定義了別名，如下表所示：

3.2、 數(shù)據(jù)棧使用規(guī)則
?數(shù)據(jù)棧有兩個(gè)增長方向：向內(nèi)存地址減小的方向增長時(shí)，稱為 DESCENDING 棧；向內(nèi)地址增加的方向增長時(shí)，稱為 ASCENDING 棧。
?所謂數(shù)據(jù)棧的增長就是移動(dòng)棧指針。當(dāng)棧指針指向棧頂元素(最后一個(gè)入棧的數(shù)據(jù))時(shí)，稱為 FULL 棧；當(dāng)棧指針指向棧頂元素(最后一個(gè)入棧的數(shù)據(jù))相鄰的一個(gè)空的數(shù)據(jù)單元時(shí)，稱為 EMPTY 棧。
?綜合這兩個(gè)特點(diǎn)， 數(shù)據(jù)棧可以分為以下 4 種：① FD Full Descending，滿遞減;② ED Empty Descending，空遞減;③ FA Full Ascending，滿遞增;④ EA Empty Ascending，空遞增。
?ATPCS 規(guī)定數(shù)據(jù)棧為 FD 類型，并且對數(shù)據(jù)棧的操作是 8 字節(jié)對齊的。 使用 stmdb/ldmia批量內(nèi)存訪問指令來操作 FD 數(shù)據(jù)棧。
3.3、 參數(shù)傳遞規(guī)則
?一般來說，當(dāng)參數(shù)個(gè)數(shù)不超過 4 個(gè)時(shí)，使用 r0～r3 這 4 個(gè)寄存器來傳遞參數(shù)；如果參數(shù)個(gè)數(shù)超過 4 個(gè)，剩余的參數(shù)通過數(shù)據(jù)棧來傳遞。對于一般的返回結(jié)果， 通常使用 a0～a3 來傳遞。

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