更好理解 MMU ，下载 10.1.4.123 中的 mmu.pdf

1. 事项 • 更好理解MMU，下载http://10.1.4.123中的mmu.pdf

2. 更好说明寻址过程

3. 为什么我们要学指令？ • C 语言：y=a*(b+c) ARM指令实现：ADR R4,b LDR R0,[R4] ADR r4,c LDR r1,[r4] ADD r2,r0,r1 ADR r4,a LDR r0,[r4] MUL r2,r2,r0 ADR r4,y STR r2,[r4]

4. 本课内容 • ARM指令的条件执行 • Load/Store类指令 • ARM数据处理类指令 • ARM转移类指令 • ARM协处理器类指令 • ARM杂项指令 • XScale指令

5. 5.2.2 ARM指令的条件执行 • 几乎所有的ARM指令均可包含一个可选的条件码，句法说明中以{cond}表示。只有在CPSR中的条件码标志满足指定的条件时，带条件码的指令才能执行。 • 几乎所有的ARM数据处理指令均可以根据执行结果来选择是否更新条件码标志。 • 条件码中的N，Z，C和V位的值将决定指令如何执行，条件码如表所示

7. 5.2.3 Load/Store类指令 • 单字和无符号字节Load/Store类指令 • 半字和有符号字节Load/Store类指令 • 双字Load/Store类指令 • 多寄存器Load/Store类指令 • 预读取PLD指令 • 内存和寄存器交换类指令

8. 单字和无符号字节Load/Store类指令 功能：提供ARM寄存器和内存之间单字节(8位)或单字(32位)数据的传送 格式: 1）零偏移（zero offset） LDR | STR {<条件码>}{B}{T} Rd ,[Rn ] ；((Rn))→Rd 零偏移指的是将Rn的内容作为传送数据的地址。 2）前变址（pre-indexed offset） LDR | STR{<条件码>} {B} Rd , [Rn , < offset >] {!} ;（（Rn）+ offset）→Rd 前变址指的是在数据传送之前，将偏移量加到Rn中，其结果作为传送数据的存储地址。若使用后缀“！”，则结果写回到Rn中，Rn不允许是R15 3）程序相对偏移（program–relative） LDR | STR{<条件码>} Rd , LABEL ；（LABEL）→Rd 程序相对偏移指的是由PC计算偏移量，并将PC作为Rn生成前变址指令。不能使用后缀“！”。 4）后变址（post-indexed offset） LDR | STR{<条件码>} {B} {T} Rd , [Rn ], < offset > 后变址指的是将Rn的值用作传送数据的存储器地址，数据传送后，偏移量加到Rn中，结果写回到Rn。Rn不允许是R15。LDR Rd , [Rn ] , offset 等价为：((Rn))→Rd，(Rn)+offset→Rn

9. 例 1) ：将R0中的内容存放进外设中。 LDR R1 , UARTADD ; 将UART地址放进R1中 STRB R0 , [R1] ；将数据放进外设中 … UARTADD & &1000000 ；UART的地址值 例 2) ：LDR R8，[R10] ；(( R10))→R8 LDRNE R2，[R5，#960]！ ；Z≠1时，((R5)+960)→R2，(R5)+960→R5 STR R2，[R9，#consta-struc] ; consta-struc是常量的表达式，该常量值的范围为1~4095 STRB R0，[R3，-R8，ASR #2] ；R0→(R3-R8/4)，存储R0的最低有效字节，R3和R8不变 STR R5，[R7]，#-8 ；R5→(R7)， R7-8→R7 LDR R0，localdata ; 读取一个字，该字位于标号lacaldata所在地址

10. 半字和有符号字节Load/Store类指令 • 功能：提供ARM寄存器和内存之间半字（16位）和有符号字节（8位）数据的传送。 • 格式：1）零偏移（zero offset） LDR | STR{<条件码>} H | SH | SB Rd,[Rn] 2）前变址（pre-indexed offset） LDR | STR{<条件码>} H | SH | SB Rd , [Rn , <offset>] {!} 3）程序相对偏移（pregram–relatve） LDR | STR{<条件码>} H | SH | SB Rd , LABEL 4）后变址（post-indexed offset） LDR | STR{<条件码>}H | SH | SB Rd , [Rn ], <offset> 其中： H | SH | SB 表示数据类型选择 SH 对有符号半字（仅LDR） H 对无符号半字； SB 对有符号字节（仅LDR）。

11. 例：LDREQSH R11，[R6] ；（有条件地）R11←[R6]，读取16位半字，有符号扩展到32位 LDRH R1，[R0，#22] ；R1←[R0+22]，读取16位半字，零扩展到32位 STRH R4，[R0+R1] ；存储最低的有效半字到R0+R1地址开始的两个字节，地址写回到R0 LDRSB R6，constf ；读取位于标号constf地址中的字节，有符号扩展

12. 双字Load/Store类指令 • 功能：提供ARM寄存器和内存之间双字(64位)数据的传送 • 格式：1）零偏移（zero offset） LDR | STR{<条件码>} D Rd,[Rn] 2）前变址格式（pre-indexed offset） LDR | STR{<条件码>} D Rd , [Rn , <offset>] {!} 3）程序相对偏移（pregram–relatve） LDR | STR{<条件码>} D Rd , LABEL 4）后变址格式（post-indexed offset） LDR | STR{<条件码>} D Rd , [Rn ], <offset>

13. 多寄存器Load/Store类指令 • 功能： 装入和存储多个寄存器，可以传送R0~R15的任何组合 • 格式： 1）标准格式 LDM | STM{<条件码>}<mode> Rn{!} , <寄存器组> 2）非用户模式下，用下面格式可以同时把当前的SPSR写入CPSR中，转向用户模式，寄存器组包含PC。 LDM {<条件码>}< mode > Rn{!} , <寄存器组+PC>^ 3）非用户模式下，用下面格式可以实现访问用户模式的寄存器，但寄存器组不包含PC。 LDM | STM{<条件码>}< mode > Rn , <寄存器组-PC>^

14. 例 1） 若保存三个工作寄存器状态和返回地址， STMFD R13! , {R0-R2 , R14} 若恢复三个工作寄存器状态和返回地址 LDMFD R13! , {R0-R2 , PC} 例 2） LDMIA R8，{R0，R2，R9} ; ((R8))→R0 ; ((R8)+4)→R2 ; ((R8)+8)→R9 STMDB R1！，{R3—R6，R11，R12} ; (R3)→R1- 4 ; (R4)→R1- 8 ; (R5)→R1- 12 ; (R6)→R1- 16 ; (R11)→R1- 20 ; (R12)→R1- 24 ; (R1)- 24→R1 STMFD R13！，{R0，R4-R7，LR} ；寄存器进栈 LDMFD R13！，{R0，R4-R7，PC} ; 同样的寄存器出栈，从子程序返回 例 3） 子程序调用 SUB1 STMFD SP! , {R0-R2 , R14} ；保护R0~R2和返回地址 …… ; 其它指令 BL label ; 允许子程序嵌套 …… ; 其它指令 LDMFD SP! , {R0-R2 , R15} ；恢复R0~R2，返回子程序调用程序后执行

15. 预读取PLD指令 • 功能：Cache 预读取（PLD，PreLoaD），使用PLD指示存储系统从后面几条新指令所指定的存储器地址读取。存储系统可使用这种方法加速以后的存储器访问。 • 格式：PLD [Rn，{offset}] • 其中：Rn 存储器的基址寄存器。 Offset 加在Rn上的偏移量 PLD [R9，#-2481]

16. 内存和寄存器交换类指令 • 功能：用一条指令实现在寄存器和存储器之间交换数据 • 格式：SWP{<条件码>} {B} Rd , Rm , ［Rn］ ；((Rn))→Rd , (Rm)→Rn; n≠m ,d , ;如d=m, 为交换,Rm←((Rn))

17. 5.2.4 ARM数据处理类指令 • 第二操作数 • 数据运算类指令 • 前导零计数指令 • 乘法类指令 • QADD、QSUB、QDADD和QDSUB指令

18. 第二操作数 大多数ARM通用数据处理指令有一个灵活的第二操作数（flexible second operand）。在每一个指令的格式中以“Operand2”表示 。

19. 两种可能的格式： （1）# immed-8r 常量的表达式。常量必须对应于8位位图（pattern）。该位图在32位字中，被循环移位偶数位（0、2、4、8、…、26、28、30）。合法常量：0xFF、0xFF000、0xF000000F。非法常量：0x101、0xFF04、0xFF003、0xFFFFFFFF。 （2）±Rm {, shift} Rm 存储第二操作数的ARM寄存器。可用各种方法对寄存器中的位图进行移位或循环移位。在指令中移位操作的结果用作第二操作数，但Rm本身不变。 Shift Rm的移位方法

20. 数据运算类指令 • 功能：完成数据在寄存器中的运算，这些运算包括32位数据的算术、位操作，其中某一个操作数可以经过移位或循环运算。 • 格式： <操作码>{<条件码> } {S} Rd , Rn , Operand2 操作码 包括ADD、SUB、RSB、ADC、SBC、RSC、AND、ORR、EOR、BIC MOV、MVN、CMP、CMN、TST和TEQ指令

21. 例 1： ADD R2,R1,R3 ；（R1）+(R3)→R2 例 2： SUBS R2, R2, #1 ; （R2）-1→R2 BEQ LABEL ; 如等于0，转向LABEL 例 3： R0中的内容乘5 ADD R0, R0, R0, LSL #2 ; (R0)*5→R0 例 4： R0中的内容乘10 ADD R0, R0, R0, LSL #2 ; (R0)*10→R0 MOV R0, R0, LSL #1

22. 前导零计数指令 • 功能：CLZ（Count Leading Zeros）指令对Rm中值的低位零（leading zeros）的个数进行计数，结果放到Rd中。若源寄存器全为0，则结果为32。若位[31]为1，则结果为0 • 格式：CLZ {<条件码>} Rd , Rm • 其中： Rd ARM结果寄存器，Rd不允许是R15。 Rm 操作数寄存器。

23. 乘法类指令

24. QADD、QSUB、QDADD和QDSUB指令 • 功能：这四条指令属于DSP增强指令，完成饱和加、饱和减、饱和乘2加、饱和乘2减四种饱和运算功能 • 格式：<操作码>{条件码} Rd, Rm, Rn <操作码>包括：QADD、QSUB、QDADD和QDSUB指令。 其中： Rd 结果寄存器 Rm,Rn 操作数寄存器

25. 说明：饱和运算是DSP指令所特有的功能，对加/减法指令的结果做了如下修改：说明：饱和运算是DSP指令所特有的功能，对加/减法指令的结果做了如下修改： • 如果加/减法指令的结果在-231~231-1之间，饱和运算的结果取加/减法指令的结果。 • 如果加/减法指令的结果大于231-1，饱和运算的结果取最终结果为231-1。 • 如果加/减法指令的结果小于-231，饱和运算的结果取最终结果为-231。 QDADD和QDSUB指令计算SAT（Rm+SAT（Rn*2））。饱和可发生在加倍操作、加法上，或两种情况下同时发生。若饱和仅发生在加倍操作上，则标志Q置位，但最后结果是不饱和的。SAT意为饱和运算。

26. 例子： QADD R0，R1，R9 ;SAT(R1+R9)→R0 QDSUBLT R9，R0，R1 ;SAT(R0-SAT((R9)*2))→R9

27. 5.2.5 ARM转移类指令 • ARM转移类指令完成循环、调用子程序和从ARM状态转向Thumb状态等功能，包括B、BL、BX和BLX指令 。 • 转移/转移带链接类指令 • 转移交换、转移带链接和交换指令BX，BLX

28. 转移/转移带链接类指令 • 功能：B、BL指令完成当前执行指令地址的转移，偏移地址量可以达到32M，BL指令还可以把转移指令后第一条指令的地址放进链接寄存器R14中完成连接作用，通常用来完成子程序的调用 • 格式：B{L} {<条件码>} <Label> 其中：Label 程序相对偏移表达式。

29. 说明：BL（Branch and Link）指令将下一条指令的地址拷贝到R14（LR，链接寄存器），并引起处理器转移到Label。BL指令（L=1） , 等价于先把（PC）→R14,再（PC）+offset →PC。 机器级的B和BL指令限制在当前指令的±225（±32M）字节范围内。但是，即使Label超出了该范围，汇编可以使用这些指令。

30. 例：1) 条件转移 CMP R0 , #5 ; 如果R0小于5； BLT SUB1 ； 则转 SUB1 ； BGE SUB2 ； 否则转 SUB2。 例：2) 程序调用 BL SUB ；调用子程序SUB； …… ; 返回点； SUB ….… ; 子程序入口； MOV PC , R14 ; 执行完返回。 例：3) 执行十次循环 MOV R0 , #10 ; 设置循环次数； LOOP …… SUBS R0 , #1 ; 循环次数减1； BNE LOOP ; 如果循环次数不0 , 继续循环； …. ; 否则结束循环。

31. 转移交换、转移带链接和交换指令BX，BLX • 功能： BX、BLX指令用来支持Thumb指令集，可以使处理器由ARM指令转向执行Thumb指令或者由Thumb指令返回执行ARM指令 • 格式： 1） B{L}X {<条件码>} 寄存器Rm 2） BLX <Label> 其中：Rm 含有转移地址的寄存器。Rm的位[0]不用来作为地址的一部分。若Rm的位[0]为1，则指令将CPSR中的标志T置位，且将目标地址的代码解释为Thumb代码。若Rm的位[0]为0，则位[1]就不能为1

32. 例： 1） 无条件转移 BX R0 ; 按R0内容转移 ; 如果R0[0]为1 ，转Thumb状态 例: 2） Thumb子程序调用 CODE32 ； ARM 代码 …… BLX TSUB ; 调用Thumb 指令TSUB子程序 …… CODE16 ; Thumb 代码执行 TSUB …… ;Thumb 指令TSUB子程序 BX R14 ; 返回ARM 代码

33. 5.2.6 ARM协处理器类指令 ARM协处理器指令完成与协处理器有关的操作，如协处理器内部寄存器之间的数据传送、协处理器与存储器之间的数据传送、协处理器与CPU寄存器之间的数据传送。这些指令依赖于使用的特定的协处理器，协处理器设计者可以自由地按需要设计协处理器的功能，而且这些指令通常借助于汇编器

34. ARM体系支持16个协处理器 • 针对每个协处理器的指令占用 ARM指令集中的固定部分 • 如果相应的协处理器不存在， 将发生一个未定义指令异常。 • 这有三种协处理器指令 • 协处理器数据处理指令 • CDP：初始化协处理器数据处理操作 • 协处理器寄存器传送指令 • MRC： 从 ARM 寄存器移到协处理器寄存器 • MCR：从协处理器寄存器移到ARM 寄存器 • 协处理器存储器传送指令 • LDC：从存储器装载到协处理器寄存器 • STC：从协处理器寄存器存储到存储器

35. CDP和CDP2指令(CDP，Coprocessor Data operation) • 功能：完成协处理器寄存器数据操作。 • 格式： CDP {条件码} CP#, opcodel, CRd, CRn, CRm{,opcode2} CDP2 CP#, opcodel, CRd, CRn, CRm{,opcode2} 其中： CP# 指令操作的协处理器名。标准名为pn，n为0~15范围内的整数。 Opcodel 协处理器的特定操作码。 CRn,CRm,CRn 协处理器寄存器。 opcode2 可选的协处理器特定操作码。

36. 例： CDP p1,10,c1,c2,c3 ;协处理器1中的处理器C2和C3完成操作10 然后将结果放在C1中。 CDPEQ p2,5,c1,c2,c3,2 ;如果Z位置1，那么协处理器2中的C2和C3完成操作5（子操作2），然后将结果放在C1中。

37. LDC和STC指令 • 功能： 在存储器和协处理器之间传送数据 • 格式：1）零偏移格式 LDC | STC{<条件码>} {L} <CP#> , CRd , [Rn ] 2）前变址格式 LDC | STC{<条件码>} {L} <CP#> , CRd , [Rn , #offset ]{!} LDC2 | STC2 <CP#> , CRd , [Rn , #offset ]{!} 3）后变址格式 LDC | STC{<条件码>} {L} <CP#> , CRd , [Rn] , #offset LDC2 |STC2 <CP#> , CRd , [Rn] , #offset

38. 例 1）： LDC p6 , CR1 , [R4] ; 将存储器中的内容取至协处理器6寄存器CR1中 R4为所取内容的地址 例 2）： LDC p6 , CR4 , [R2 , 4] ; 将存储器中的内容取至协处理器6寄存器CR4中R2+4为所取内容的地址 例 3）： STC p8 , CR8 , [R2 , #4] ! ; 将协处理器8寄存器CR8中的内容存至存储器中R2+4为所存内容的地址 然后，R2=R2+4 例 4）： STC p6 , CR9 , [R2] , #-16 ; 将协处理器6寄存器CR9中的内容存至存储器中 R2为所存内容的地址 然后，R2=R2-16

39. MRC、MRC2 、MCR和MCR2指令 • 功能：在协处理器与ARM寄存器之间传送数据 • 格式：1）从协处理器传送至ARM寄存器 MRC{<条件码>} <CP#> , <Opcode1> , Rd , CRn , CRm { , <Opcode2>} MRC2 < CP#> , <Opcode1> , Rd , CRn , CRm { , <Opcode2>} 2）从ARM寄存器传送至协处理器 MCR{<条件码>} < CP#> , <Opcode1> , Rd , CRn , CRm { , <Opcode2>} MCR2 < CP#> , <Opcode1> , Rd , CRn , CRm { , <Opcode2>} • 本组指令格式中所有操作数的含义同（CDP和CDP2）

40. 例1）： MRC p15 , 5, R4 , C0 , C2, 3 ; 协处理器15中的寄存器C0和C2完成操作5（子操作3），然后将结果传到CPU寄存器4中。 例2）： MCR p14 , 1, R7 , C7 , C12, 6 ; 协处理器14在CPU寄存器7中完成 操作1（子操作6），然后将结果传到协处理器14的寄存器C12中。

41. MCRR和MRRC指令 • 功能：在2个ARM寄存器和协处理器之间进行数据传送 • 格式： MRRC{<条件码>} < CP#>, <Opcode1>, Rd, CRn, CRm MCRR{<条件码>} < CP#>, <Opcode1>, Rd, CRn, CRm

42. 5.2.7 ARM杂项指令 • 状态寄存器传送至通用寄存器类指令 • 通用寄存器传送至状态寄存器传送指令 • 软件中断指令SWI • 断点指令(v5T)

43. 状态寄存器传送至通用寄存器类指令 • 功能：将状态寄存器的内容传送至通用寄存器 • 格式：MRS{<条件码>} Rd , CPSR | SPSR 其中： Rd 目标寄存器，Rd不允许为R15。 R=0，将CPSR中的内容传送至目的寄存器； R=1，将SPSR中的内容传送至目的寄存器 注释： MRS与MSR配合使用，作为更新PSR的读—修改—写序列的一部分。例如：改变处理器或清除标志Q。 注意：当处理器在用户模式或系统模式下，一定不能试图访问SPSR。

44. 例： MRS R0 , CPSR ；将CPSR中的内容传送至R0 MRS R3, SPSR ；将SPSR中的内容传送至R3

45. 通用寄存器传送至状态寄存器传送指令 • 功能：将通用寄存器的内容传送至状态寄存器 • 格式： MSR{<条件码>} CPSR_f | SPSR_f , < #immed_8r > MSR{<条件码>} CPSR_<field> | SPSR_<field> , Rm • 其中：<field>字段可以是以下之一或多种： C: 控制域屏蔽字段（PSR中的第0位到第7位）； X: 扩展域屏蔽字段（PSR中的第8位到第15位）； S：状态域屏蔽字段（PSR中的第16位到第23位）； F: 标志域屏蔽字段（PSR中的第24位到第31位）。 immed_8r 值为数字常量的表达式。常量必须对应8位位图。该位图在32位字中循环移位偶数位。 Rm 源寄存器。

46. 例1）： 设置N、Z、C、V标志 MSR CPSR_f , #&f0000000 ；仅高8位有效，其它必须为0 例2）： 仅置位C标志，保留N、Z、V标志 MRS R0 , CPSR ；将CPSR中的内容传送至R0 ORR R0 , R0 , #&20000000 ; 置位R0的第29位 MSR CPSR_f , R0 ；再将R0中的内容传送至CPSR 例3）： 从管理模式转到IRQ模式 MRS R0 , CPSR ; 将CPSR中的内容传送至R0 BIC R0 , R0 , #&1f ；清R0的第5位 ORR R0 , R0 , #&12 ；设置IRQ模式的标志位 MSR CPSR_c , R0 ；再将R0中的内容传送至CPSR

47. 软件中断指令SWI • 格式： SWI{<条件码>} immed_24 其中： immed_24 表达式，其值范围为0-224-1的整数（24位整数） 注释： SWI指令用来执行系统调用，处理器进入管理模式，并从地址0x08开始执行指令。<24位立即数>并不影响指令的执行，由系统所解释。CPSR保存到管理模式的SPSR中，执行转移到SWI向量。

48. 断点指令(v5T) • 格式：BKPT immed_16 其中：immed_16 表达式，其值为范围在0~65536内的整数（16位整数）。 注释： 支持软件调试，执行时中断正常指令，进入相应的调试子程序。BKPT指令适用于ARM v5指令系统及以上版本。

49. 5.2.8 XScale指令 • MIA乘法指令 • MIAPH乘法指令 • MIAxy乘法指令 • MAR和MRA内部累加器访问指令

50. MIA乘法指令 • 功能：MIA乘法指令同MLA乘法指令类似，仅仅是MIA指令将最终结果保存至acc0中 • 格式：MIA {<cond>} acc0 , Rm , Rs 其中：Rs 乘数寄存器 Rm 被乘数寄存器 acc0 累加器0