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ARM 汇编指令简介.md

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ARM 汇编指令简介

ARM处理器是精简指令集计算 Reduced Instruction Set Computing (RISC)的一个实例。
ARM指令集是基于精简指令集计算机(RISC)设计的，其指令集的译码机制相对比较简单，ARMv7-A具有32bit的ARM指令集和16/32bit的Thumb/Thumb-2指令集，ARM指令集的优点是执行效率高但不足之处也很明显，就是代码密度相对低一些。而作为ARM指令集子集的Thumb指令集，代码密度相对比ARM指令高，而且坚持了ARM一贯的性能优但也有一个致命的缺点就是效率低。正所谓鱼和熊掌不可兼得，这也是数字逻辑电路设计所谓的时间和空间的问题；而Thumb-2指令集多为32bit的指令，对于上述的ARM指令和Thumb指令做了一个折中，代码执行效率和密度都相对比较适中，几乎所有的ARM指令都可以条件执行，而另外两者仅有部分才具备此功能，三种指令均可相互调用，而且指令之间状态切换开销很小，几乎可以忽略。

一、ARM指令集格式

基本格式： <opcode> {<cond>} {S} <Rd>, <Rn>, {<opcode2>}
< > 尖括号里面的指令助记符是必须的，而{}花括号里面的是可选的。
.opcode：比如MOV，LDR
.cond：即Condition，执行条件，与CPSR的条件标志位对应。

.S：决定是否影响CPSR的值
.Rd：目标寄存器
.Rn：第一个操作数的寄存器
.opcode2：第二个操作数，可选，可以是立即数、寄存器、寄存器移位等

二、ARM 寻址方式

  1. 立即寻址
    mov r0, #1234
    相当于：r0=#1234。#开头，表示16进制时，以0x开头，如#0x1f。

  2. 寄存器寻址
    mov r0, r1
    执行后，r0 = r1。
    NOP 操作通常为 mov r0, r0，对应的HEX为00 00 a0 e1

  3. 寄存器移位寻址

寄存器移位寻址支持以下5种移位操作：

LSL：逻辑左移，移位后寄存器空出的低位补0；  
LSR：逻辑右移，移位后寄存器空出的高位补0；  
ASR：算数右移，移位过程中，符号位保存不变，如果源操作数为正数，则移位后空出的高位补0，否则补1。  
ROR：循环右移，移位后，移出的低位，填入移位空出的高位。  
RRX：带扩展的循环右移，操作数右移一位，移位空出的高位，用C标志的值填充。

mov r0, r1, lsl #2
相当于：r0 = r1<<2 = r1*4。

  1. 寄存器间接寻址
    ldr r0, [r1] // 取值
    相当于：r0 = *r1。

  2. 基址寻址
    ldr r0, [r1, #-4]
    相当于：r0 = *(r1 - 4)。

  3. 多寄存器寻址
    lmdia r0, {r1, r2, r3, r4}
    LDM 是数据加载指令，指令的后缀IA表示，每次执行完成加载操作后，R0寄存器的值自增1个字。
    R1=[R0], R2=[R0+#4], R3=[R0+#8], R4=[R0+#12]
    字表示一个32位的数值。

  4. 堆栈寻址
    它需要特定的指令完成：
    LMDFA/STMFA, LDMEA/STMEA, LDMFD/SDMFD, LDMED/STMED。
    LMD/STM 表示多寄存器寻址，一次可以传送多个寄存器值。
    FA/EA/FD/ED ..参考指令集。
    stmfd sp!, {r1-r7, lr} @将 r1~r7, lr 压栈 多用于保存子程序现场。
    ldmfd sp!, {r1~r7, lr} @将 r1~r7, lr 出栈，放入 r1~r7, lr 多用于恢复子程序现场。

  5. 块拷贝寻址
    可实现连续地址数据从存储器的某一位置拷贝至另一位置。
    LDMIA/STMIA, LDMDA/STMDA, LDMIB/STMIB, LDMDB/STMDB。
    LDM/SDM 表示多寄存器寻址，一次可以传送多个寄存器值。
    IA, DA, IB, DB ..参考指令集。
    ldmia r0!, {r1-r3} @ 从r0指向的区域的值取出来，放到r1-r3中
    stmia r0!, {r1-r3} @ 将r1-r3的值取出来，放入r0指向的区域

  6. 相对寻址 相对寻址以PC的当前值为基址，与偏移值相加，得到最终的地址。

bl .lc0
    ...
.lc0:
    ...

bl 直接跳到 .lc0 处。

三、ARM汇编指令分类

包括存储加载类指令集，数据处理类指令集，分支跳转类指令集，程序状态寄存器访问指令以及协处理器类指令集

  1. 存储加载类
    由于ARM处理器采用了统一编址技术，因而对外围I/O，程序数据的访问都要通过加载/存储(Load/Store)指令来进行。ARM的加载/存储指令(LDR，STR)是可以实现字，半字，无符号，有符号字节操作；
    批量加载/存储(LDM，STM)可以实现一条指令加载存储多个存储器的内容，加载效率大为提高，一般用来传递参数和复制数据，可以说是一般加载/存储的加强版。
    ARM采用RISC架构，CPU本身不能直接读取内存，而需要先将内存中内容加载入CPU中通用寄存器中才能被CPU处理，ldr/str组合用来实现 ARM CPU和内存数据交换。
    LDR：用于从内存中读取数据加载到内存中；比如 LDR R0, [R1] 表示将R1所指向的存储单元的内容加到R0寄存器中。
    STR：将寄存器中的数据保存到内存单元；STR R0, [R1] 将R0寄存器里面的数据保存到R1所指向的内存中。
    LDM：实现一块连续的内存单元的数据加载多个寄存器中。
    STM：实现在多个寄存器的数据保存到一块连续的内存单元之中。
    格式：LDM/STM {cond} <mode> Rn{!} {reglist} {^}
    .cond：同上
    .mode：地址变化模式共8种。

    .Rn：基址寄存器，不允许是R15。
    .!：感叹号表示是否将最后的地址存入Rn。
    .Reglist：寄存器列表，按从小到大的顺序排列，当标号连续时可用'-'连接，{R0-R3}，不连续时用逗号连接。
    ."^"：(假如寄存器列表含有PC寄存器R15)表示指令执行后SPSR的值自动复制给CPSR，常用于从中断处理函数中返回。
    反之，默认操作的是用户模式下的寄存器，并非当前特殊模式的寄存器。

  2. 数据处理类指令集
    包括数据传送指令MOV，算术逻辑运算符ADD，SUB，BIC，ORR，比较指令CMP，TST等
    算术

ADD op1+op2
ADC op1+op2+carry
SUB op1-op2+carry-1
ADR：ADR指令被编译器用一条ADD或者SUB进行替换，在ARM状态下，字对齐时加载范围是-1020~1020，字节或者半字对齐时是-255~255。
ADRL：被编译器用两条条ADD或者SUB进行替换，在ARM状态下，字对齐时加载范围是-256K~256K，字节或者半字对齐时是-64K~264K。
syntax : <operation> {<cond>}{S} Rd,Rn,operand
examples :
ADD r0,r1,r2
ADDS R0, R1, #1 @指令执行后可能会影响CPSR的条件标志位。
SUB R1,R2,#1
例：通过LDR伪指令，完成GPIO的配置功能,将0xE0200280赋给R1
LDR R1, =0xE0200280
LDR R0, =0x00001111
STR R0, [R1]

比较

CMP op1-op2
TST op1 & op2
TEQ op1 ^ op2
SWP {cond} {B} Rd, Rm, [Rn]：将Rn指向的内容加载到目标寄存器Rd，Rm为源寄存器，将该寄存器的数据存储到Rn指向的地址单元。
TST {cond} Rn, opcode2 ： 将Rn的值与opcode2进行按位与操作，根据结果更新CPSR标志位。
CMP {cond} Rn opcode2 ： 将Rn的值减opcode2,根据操作结果更新相应CPSR的标志位。以便后面的指令判断是否执行。
Syntax : <operation> {<cond>} Rn,Op
examples :
CMP R0,R1
CMP R0,#2

逻辑运算

AND op1,op2
EOR op1,op2
ORR op1,op2 #oxF@将R0的后4位置1（与"1"做或运算，实现置1功能），结果保存到R0
BIC R0, R2， #0xF@将R2的后4位置清零

移动

MOV op1,op2
syntax : <Operation>{<cond>}{S} Rn, Op2
Examples:
MOV r0, r1
  1. 分支跳转指令

当程序需要一些循环、过程（procedures）和函数的时候，会用到分支指令。
实现程序跳转的方法，还可以直接给PC寄存器直接赋值实现跳转。

B
Branch, 分支。
该指令不会影响LR寄存器。这意味着一旦我们跳转到子程序（subroutine），不能回溯（traceback）我们曾经在哪儿。这个类似于x86汇编中的JMP指令。

BNE LABEL
表示不为0时，则跳转到LABEL处执行。

BL
BL Branch with Link，带链接的分支。
该指令可以让子程序调用，通过LR保存的PC-4的地址，从子程序返回，只需简单的从LR还原PC的值：mov pc, lr。

BX 和 BLX
BX Branch with Exchange，带交换的分支。
BLX Branch with Link and Exchange，带链接和交换的分支。
BX和BLX指令用于THUMB模式中，暂时不关注。

  1. 程序状态寄存器访问指令
    通过MSR和MRS配合使用实现对PSR寄存器的访问，通过读-修改-写操作来实现开关中断，切换处理器模式。
    .MRS：读程序状态寄存器指令，将PSR中的内容读入到寄存器中 MRS {cond} Rd, PSR 。
    .MSR：写程序状态寄存器指令 MSR {cond} psr_fields #immed_8MSR {cond} psr_fields, Rm。field指位域，只有在特权模式下才能对PSR进行修改，例如切换到管理模式：MSR CPSR_c #0xD3,将0xD3写入CPSR的低8位，此时M[4:0]=0b10011，进入管理模式。
    用读-修改-写操作切换到管理模式
MRS R0, CPSR @读出CPSR的值
BIC R0, R0, #0x1F @清0
ORR R0, R0, #0xD3 @修改模式
MSR CPSR_cxsf, R0 @将修改后的值保存到CPSR
  1. 协处理器访问指令
    协处理器CP15包含了16个32bit的寄存器，主要用于存储管理。
    .MCR：ARM寄存器到协处理器的数据传送指令 MCR {cond} P15, 0, Rd, CRn, CRm, {opcode2}
    Rd：源寄存器
    CRn：协处理器中的寄存器，目标寄存器，存放第一个操作数其编号为C0,C1....C15
    .MRC：协处理器到ARM寄存器的数据传送指令
    Rd：目标寄存器
    CRn：协处理器中的寄存器，源寄存器，存放第一个操作数其编号为C0,C1....C15
    CRm：附加的源寄存器，不需要其他信息时CRm为C0
    opcode2：提供附加信息，若为空时，指定为0即可