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ARM嵌入式系统结构与编程 • 大连理工大学软件学院邱铁办公楼409 Tel：87571521 E_mail: qiutie@dlut.edu.cn 参考教材：《ARM嵌入式系统结构与编程》清华大学出版社2009年3月出版

ARM微处理器的指令集可以分为数据处理指令、跳转指令、程序状态寄存器（PSR）处理指令、加载/存储指令、协处理器指令和杂类指令六大类。ARM微处理器的指令集可以分为数据处理指令、跳转指令、程序状态寄存器（PSR）处理指令、加载/存储指令、协处理器指令和杂类指令六大类。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。第4章 ARM指令集系统

内容提要 • 4．1 数据处理指令 • 4．2 ARM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 数据处理指令 • 基本数据处理指令 • 乘法指令

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>

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。

MVN指令 • MNV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。

2．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）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。

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, operand2 • SBC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。

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。

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。

（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。

（3）EOR异或逻辑运算指令 • 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。

（4）BIC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

4．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。

（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。

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。

基本的数据处理指令还有很多注意事项，具本参考教材《ARM嵌入式系统结构与编程》第4章4.1节基本的数据处理指令还有很多注意事项，具本参考教材《ARM嵌入式系统结构与编程》第4章4.1节

1． 32位乘法指令

（1）MUL • MUL{cond}{S} Rd, Rm, Rs • MUL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。

（2）MLA • MLA{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。

2． 64位乘法指令

（1）UMULL • UMULL{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。

（2）UMLAL • UMLAL{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，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。

（3）SMULL • SMULL{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。

（4）SMLAL • SMLAL{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。

4.2 ARM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。

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。

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的值保存到LR寄存器中。 • 指令的汇编语法格式如下： • BL{<cond>} <target_address>

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。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 BX • BX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： • B{<cond>} <Rm>

BX指令跳转到Rm指定的地址执行程序，如果Rm的bit[0]为1，则跳转时自动将CPSR中的标志位T置位，目标地址的代码为Thumb代码；如果Rm的bit[0]为0，则跳转时自动将CPSR中的T标志位清0，目标地址的代码为ARM代码。BX指令跳转到Rm指定的地址执行程序，如果Rm的bit[0]为1，则跳转时自动将CPSR中的标志位T置位，目标地址的代码为Thumb代码；如果Rm的bit[0]为0，则跳转时自动将CPSR中的T标志位清0，目标地址的代码为ARM代码。

带链接和状态切换的跳转指令 BLX • BLX指令从ARM指令集跳转到指令中所指定的目标地址，并将处理器的工作状态由ARM状态切换到Thumb状态，该指令同时将程序计数器PC的当前内容保存到链接寄存器R14中。

（1）由程序标号给出目标地址 • 这种形式的BLX指令汇编语法格式如下： • BLX <target_address>

目标地址target_address的计算方法：先对指令中定义的有符号24位偏移量用符号位扩展为32位，并将该32位数左移2位，然后将其加到程序计数器PC中，H位（bit[24]）加到目标地址的第1位（bit[1]），目标地址总是Thumb指令。跳转的范围为-32MB~+32MB。

（2）寄存器的内容作为目标地址 • 这种形式的BLX指令汇编语法格式如下： • BLX{<cond>} <Rm>

BLX指令跳转到Rm指定的地址执行程序，如果Rm的bit[0]为1，则跳转时自动将CPSR中的标志位T置位，目标地址的代码为Thumb代码；如果Rm的bit[0]为0，则跳转时自动将CPSR中的T标志位清0，目标地址的代码为ARM代码。

第4章 ARM指令集系统 上半部完

下半部内容提要 • 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

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