ARM体系结构与常用汇编指令是什么
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一、ARM体系结构
ARM（Advanced RISC Machines） ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。ARM 处理器是一种低功耗高性能的 32 位RISC 处理器，基于 ARM 的处理器以其高速度、低功耗等诸多优异的性能而得到非常广泛的应用。
ARM公司在经典处理器ARM11以后的产品改用Cortex命名，并分成A、R和M三类，其分别应用于不同的领域。Cortex系列属于ARMv7架构，其中“A”系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用；“R”系列针对实时系统；“M”系列对微控制器。在ARM11推出前，其处理器比较：
| ARM7 | ARM9 | ARM10 | ARM11 | |
|---|---|---|---|---|
| 流水线 | 3级 | 5级 | 6级 | 8级 |
| 典型频率MHz | 80 | 150 | 260 | 335 |
| 功耗mW/MHz | 0.06 | 0.19(+cache) | 0.5 (+cache) | 0.4 (+cache) |
| 性能MIPS/MHz | 0.97 | 1.1 | 1.3 | 1.2 |
| 架构 | 冯*诺伊曼 | 哈佛 | 哈佛 | 哈佛 |
冯诺伊曼结构与哈佛结构的区别：
在TQ2440开发板上使用的是S3C2440芯片。这是一款基于ARM920T核心的微处理器芯片，采用哈佛结构使用5级指令流水线包括：取指、译码、执行、存储及写入。各步骤作用分别为：
（1）取指令（fetch）：从存储器中取出指令，并将其放入指令流水线。
（2）译码（decode）：指令被译码，从寄存器堆中读取寄存器操作数。在寄存器堆中有3个操作数读端口，因此，大多数ARM指令能在1个周期内读取其操作数。
（3）执行（execute）：将其中1个操作数移位，并在ALU中产生结果。如果指令是Load或Store指令，则在ALU中计算存储器的地址。
（4）缓冲/数据（buffer/data）：如果需要则访问数据存储器，否则ALU只是简单地缓冲1个时钟周期。
（5）回写（write-back）：将指令的结果回写到寄存器堆，包括任何从寄存器读出的数据。
1.1ARM基本数据类型
ARM采用的是32位架构，基本数据类型有3种：Byte(字节), 8bit；Halfword(半字)，16bit(半字必须2字节边界对齐)；Word(字)， 32bit（字必须于4字节边界对齐）。
长度为1个字的数据项占用一组4字节的位置，该位置开始于4的倍数的地址（地址最末两位为00）半字占有两个字节的位置，该位置开始于偶数字节地址（地址最末一位为0）。
1.2存储器大/小端
大端模式，是指数据的高字节保存在内存的低地址中，而数据的低字节保存在内存的高地址中。小端模式，是指数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中。例如变量word a=0xf6734bcd，使用大/小端存储格式完全不一样。
1.3ARM编程模型
要想了解ARM920T为内核芯片的主要可以从几个方面入手：工作模式、ARM异常种类、寄存器组织、运行状态。
ARM920T是基于ARM V4T 架构，共有7种工作模式：
| 处理器 | 描述 |
|---|---|
| 用户模式（usr） | ARM 处理器正常的程序执行状态。 |
| 快速中断模式（fiq） | 用于高速数据传输或通道处理。 |
| 外部中断模式（irq） | 用于通常的中断处理。 |
| 管理模式（svc） | 操作系统使用的保护模式。 |
| 数据访问终止模式（abt） | 当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。 |
| 系统模式（sys） | 运行具有特权的操作系统任务。 |
| 未定义指令中止模式（und） | 当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。 |
七种工作模式又可以从两个方面划分：特权模式与非特权模式；异常模式与非异常模式。
| 划分方式 | 说明 |
|---|---|
| 特权模式与非特权模式 | 用户模式外的其他6种处理器模式称为特权模式（Privileged Modes）。在特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式切换，而用户模式不能直接切换到别的模式。 |
| 异常模式与非异常模式 | 除去用户模式和系统模式以外的 5 种又称为异常模式（ExceptionModes），常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系统资源等情况。 |
在异常模式下，有着不同的异常，其对应关系为：
| 异常 | 向量表 | 模式 |
|---|---|---|
| 复位(Reset) | 0x00 | 管理模式 |
| 未定义指令(Undefined Instruction) | 0x04 | 未定义指令中止模式 |
| 软中断(Software Interrupt) | 0x08 | 管理模式 |
| 指令预取异常(Prefetch Abrot) | 0x0C | 数据访问终止模式 |
| 数据异常(Data Abort) | 0x10 | 数据访问终止模式 |
| 保留(Reserved) | 0x14 | / |
| 中断(IRQ) | 0x18 | 数据访问终止模式 |
| 快速中断(FIQ) | 0x1C | 快速中断模式 |
ARM 处理器共有 37 个寄存器，被分为若干个组（BANK）。31 个通用寄存器，包括程序计数器（PC 指针），均为 32 位的寄存器；6 个状态寄存器，1个CPSR（Current Program Status Register，当前程序状态寄存器），5个SPSR（Saved Program Status Register，备份程序状态寄存器），用以标识 CPU 的工作状态及程序的运行状态，均为 32 位。ARM有7种不同的处理器模式，在每一种处理器模式中有一组相应的寄存器组。
在汇编语言中寄存器R0～R13为保存数据或地址值的通用寄存器。它们是完全通用的寄存器，不会被体系结构作为特殊用途，并且可用于任何使用通用寄存器的指令。这些通用寄存器根据其分组与否可分为以下2类。未分组寄存器（the Unbanked Register），包括R0～R7；分组寄存器（the Banked Register），包括R8～R14。
未分组寄存器没有被系统用于特殊的用途，任何可采用通用寄存器的应用场合都可以使用未分组寄存器。但由于其通用性，在异常中断所引起的处理器模式切换时，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数据被破坏。
分组寄存器根据处理器模式使用方法有所不同：
| 分组寄存器 | 说明 |
|---|---|
| R8～R12 | 每个寄存器对应两个不同的物理寄存器。一组用于除FIQ模式外的所有处理器模式，而另一组则专门用于FIQ模式。 |
| R13和R14 | 每个寄存器对应6个不同的物理寄存器。其中的一个是用户模式和系统模式公用的，而另外5个分别用于5种异常模式。访问时需要指定它们的模式。名字形式：R13 |
程序计数器R15（ PC），它指向正在取指的地址，在异常模式中，另外一个寄存器“ 程序状态备份寄存器（ SPSR） ” 可以被访问。每种异常都有自己的SPSR，在进入异常时它保存CPSR的当前值，异常退出时可通过它恢复CPSR。该寄存器的位分配图为：
| 寄存器位 | 作用 |
|---|---|
| N位 | 符号位。如果结果为负数，则N = 1；如果结果为正数或0，则 N = 0 |
| Z位 | 如果指令的结果为0，则置1（通常用来表示比较的结果为“相等”）；否则置0 |
| C位 | 表示运算的进位、借位等 |
| V位 | 益出标志位 |
| Q标志位 | 在带DSP指令扩展的ARM v5及更高版本中，bit[27]被指定用于指示增强的DAP指令是否发生了溢出，因此也就被称为Q标志位。同样，在SPSR中bit[27]也被称为Q标志位，用于在异常中断发生时保存和恢复CPSR中的Q标志位。在ARM v5以前的版本及ARM v5的非E系列处理器中，Q标志位没有被定义，属于待扩展的位。 |
| I = 1 | IRQ被禁止 |
| F = 1 | FIQ被禁止 |
| T位 | 处理器的状态控制位。T = 0，处理器处于ARM状态（即正在执行32位的ARM指令）。T = 1，处理器处于Thumb状态（即正在执行16位的Thumb指令）。T位只有在T系列的ARM处理器上才有效，在非T系列的ARM版本中，T位将始终为0。 |
| M[4∶0] | 作为位模式控制位，其具体控制模式可见下表。 |
ARM处理器的运行状态可以分为ARM与Thumb两种状态。其中ARM状态下PC值为字对齐(4字节)，Thumb状态下PC值为半字对齐(2字节)。
二、ARM的指令系统
在嵌入式开发中，汇编程序常常用于非常关键的地方，比如系统启动时的初始化，进出中断时的环境保存、恢复，对性能要求非常苛刻的函数等。ARM 微处理器的指令集主要有 6 大类：跳转指令、数据处理指令、程序状态寄存器（PSR）处理指令、加载/存储指令、协处理器指令、异常产生指令。
2.1跳转指令
跳转（B）和跳转连接（BL）指令是改变指令执行顺序的标准方式。ARM一般按照字地址顺序执行指令，需要时使用条件执行跳过某段指令。只要程序必须偏离顺序执行，就要使用控制流指令来修改程序计数器。主要有三条指令：
| 指令 | 语法格式 | 跳转范围 |
|---|---|---|
| 跳转指令B及带连接的跳转指令BL | B{L}{ | PC+-32MB |
| BX带状态切换的跳转指令BX | BX{ | 绝对地址4G |
| BXL带状态切换的连接跳转指令BLX | BLX | 绝对地址4G |
2.2数据处理指令
在了解ARM的数据处理指令之前要知道ARM的寻址方式，数据处理指令寻址方式可以分为3种：立即数寻址方式；寄存器寻址方式；寄存器移位寻址方式。其语法格式为：
| 数据指令寻址方式 | 指令 |
|---|---|
| 立即数寻址 | 指令中的立即数是由一个8bit常数移动4bit偶数位得到的。 |
| ADD R3,R3,＃1 ;R3的值加1 | |
| CMP R7,＃1000 ;R7的值和1000比较 | |
| BIC R9,R8,＃0xFF00 ;将R8中8～15位清零，结果保存在R9中 | |
| 寄存器寻址方式 | 寄存器的值可以被直接用于数据操作指令，这种寻址方式是各类处理器经常采用的一种方式，也是一种执行效率较高的寻址方式。 |
| ADD R4,R3,R2 ;R2加R3，结果送R4 | |
| CMP R7,R8 ;比较R7和R8的值 | |
| 寄存器移位寻址方式 | 寄存器的值在被送到ALU之前，可以事先经过桶形移位寄存器的处理。预处理和移位发生在同一周期内，所以有效地使用移位寄存器，可以增加代码的执行效率。 |
| MOV R1,R0,LSL #2 | |
| RSB R9,R5,R5,LSL #1 |
内存访问指令寻址方式主要有以下几种。
| 寄存器指令寻址方式 | 含义 |
|---|---|
| 寄存器间接寻址 | 指令中的地址码给出的是一个通用寄存器编号，所需要的操作数保存在寄存器指定地址的存储单元中，即寄存器为操作数的地址指针，操作数存放在存储器中。 |
LDR R0,[R1] ； R0←[R1]（将R1中的数值作为地址，取出此地址中的数据保存在R0中） STR R0,[R1] ； [R1] ←R0
| 寄存器指令寻址方式 | 含义 |
|---|---|
| 变址寻址 | 将基址寄存器的内容与指令中给出的偏移量相加，形成操作数的有效地址，变址寻址用于访问基址附近的存储单元，常用于查表，数组操作，功能部件寄存器访问等。 |
LDR R2,[R3,#4] ； R2←[R3 + 4]（将R3中的数值加4作为地址，取出此地址的数值保存在R2 中） STR R1,[R0,#-2] ； [R0-2] ← R1
| 多寄存器寻址 | 含义 |
|---|---|
| 变址寻址 | 采用多寄存器寻址方式，一条指令可以完成多个寄存器值的传送，这种寻址方式用一条指令最多可以完成16个寄存器值的传送。 |
LDMIA R0,{R1,R2,R3,R5} ； R1←[R0]
(IA表示是后递增方式）； R2←[R0 + 4]
(IB表示是先递增方式) ； R3←[R0 + 8]
(DA和DB表示后递减和先递减) ； R5←[R0 + 12]| 多寄存器寻址 | 含义 |
|---|---|
| 堆栈寻址 | 堆栈操作顺序分为“后进先出”和“先进后出”，堆栈寻址时隐含的，它使用一个专门的寄存器（堆栈指针）指向一块存储区域（堆栈），指针所指向的存储单元就是堆栈的栈顶。 |
向上生长：向高地址方向生长，称为递增堆栈；向下生长：向低地址方向生长，称为递减堆栈。
堆栈指针指向最后压入的堆栈的有效数据项， 称为满堆栈(Full Stack)；堆栈指针指向下一个要放入的空位置，称为空堆栈(
Empty Stack)。
| 堆栈工作方式 | 说明 |
|---|---|
| 满递增堆栈 | 堆栈指针指向最后压入的数据，且由低地址向高地址生成。如指令LDMFA， STMFA 等。 |
| 满递减堆栈 | 堆栈指针指向最后压入的数据，且由高地址向低地址生成。如指令LDMFD， STMFD 等。 |
| 空递增堆栈 | 堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由低地址向高地址生成。如指令LDMEA， STMEA 等。 |
| 空递减堆栈 | 堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由高地址向低地址生成。如指令LDMED， STMED 等。 |
数据操作指令是指对存放在寄存器中的数据进行操作的指令。包括：数据传送指令、 算术指令、 逻辑指令、 比较与测试指令及乘法指令。 如果在数据处理指令后使用S前缀，指令的执行结果将会影响CPSR中的标志位。
ARM乘法指令完成两个数据的乘法。两个32位二进制数相乘的结果是64位的积。
| 乘法指令 | 说明 |
|---|---|
| MUL指令 | MUL（Multiply）32位乘法指令将Rm和Rs中的值相乘，结果的最低32位保存到Rd中 |
| MLA乘—累加指令 | MLA（Multiply Accumulate）32位乘—累加指令将Rm和Rs中的值相乘，再将乘积加上第3个操作数，结果的最低32位保存到Rd中。 |
| UMULL指令 | UMULL（Unsigned Multiply Long）为64位无符号乘法指令。它将Rm和Rs中的值做无符号数相乘，结果的低32位保存到RsLo中，高32位保存到RdHi中。 |
| UMLAL指令 | UMLAL（Unsigned Multiply Accumulate Long）为64位无符号长乘—累加指令。指令将Rm和Rs中的值做无符号数相乘，64位乘积与RdHi、RdLo相加，结果的低32位保存到RsLo中，高32位保存到RdHi中。 |
| SMULL指令 | SMULL（Signed Multiply Long）为64位有符号长乘法指令。指令将Rm和Rs中的值做有符号数相乘，结果的低32位保存到RsLo中，高32位保存到RdHi中。 |
| SMLAL指令 | SMLAL（Signed Multiply Accumulate Long）为64位有符号长乘—累加指令。指令将Rm和Rs中的值做有符号数相乘，64位乘积与RdHi、RdLo相加，结果的低32位保存到RsLo中，高32位保存到RdHi中。 |
2.3加载/存储指令
Load/Store内存访问指令在ARM寄存器和存储器之间传送数据。 ARM指令中有3种基本的数据传送指令。单寄存器Load/Store指令（ Single Register）；’多寄存器Load/Store内存访问指令；单寄存器交换指令（ Single Register Swap）。
| 指令 | 说明 |
|---|---|
| 单寄存器的Load/Store指令 | 用于把单一的数据传入或者传出一个寄存器。支持的数据类型有字节（ 8位）、半字（ 16位）和字（ 32位）。 |
示例代码： LDR R2,[R5] ;将R5指向地址的字数据存入R2 STR R1,[R0,#0x04] ;将R1的数据存储到R0+0x04地址 LDRB R3,[R2],#-1 ;将R2指向地址的字节数据存入R3， R2＝R2－1
| 指令 | 说明 |
|---|---|
| 多寄存器的Load/Store内存访问指令 | 多寄存器的Load/Store内存访问指令也叫批量加载/存储指令，它可以实现在一组寄存器和一块连续的内存单元之间传送数据。 LDM用于加载多个寄存器， STM用于存储多个寄存器。 |
示例代码：
LDR R0,=SrcData ;设置源数据地址
LDR R1,=DstData ;设置目标地址
LDMIA R0,{R2～R9} ;加载8字数据到寄存器R2～R9
STMIA R1,{R2～R9} ;存储寄存器R2～R9到目标地址| 指令 | 说明 |
|---|---|
| 单数据交换指令 | 交换指令是Load/Store指令的一种特例，它把一个寄存器单元的内容与寄存器内容交换。 |
2.4程序状态寄存器（PSR）处理指令
ARM指令集提供了两条指令，可直接控制程序状态寄存器。MRS指令用于把CPSR或SPSR的值传送到一个寄存器；MSR与之相反，把一个寄存器的内容传送到CPSR或SPSR。这两条指令相结合，可用于对CPSR和SPSR进行读/写操作。
（ 1）MRS指令的语法格式：
MRS{cond} Rd， PSR;Rd为目标寄存器， Rd不允许为程序计数器（ PC）。 PSR为CPSR或SPSR。
指令举例：
MRS R1,CPSR ;将CPSR状态寄存器读取，保存到R1中
MRS R2,SPSR ;将SPSR状态寄存器读取，保存到R1中（2）MSR指令的语法格式
MSR{cond} PSR_field,#immed_8r 或MSR{cond} PSR_field,Rm
设置状态寄存器中需要操作的位。状态寄存器的32位可以分为4个8位的域（ field）。
bits[31： 24]为条件标志位域，用f表示；
bits[23：16]为状态位域，用s表示；
bits[15： 8]为扩展位域，用x表示；
bits[7： 0]为控制位域，用c表示；
immed_8r为要传送到状态寄存器指定域的立即数， 8位；
Rm为要传送到状态寄存器指定域的数据源寄存器。
指令举例：
MSR CPSR_c,＃0xD3 ;CPSR[7:0]=0xD3,切换到管理模式
MSR CPSR_cxsf,R3 ;CPSR=R3 2.5协处理器指令
ARM协处理器指令可分为3类：协处理器数据操作， CDP；协处理器数据传送指令，包括LDC和STC；协处理器寄存器传送指令，包括MCR和MRC。
2.6异常产生指令
ARM指令集中提供了两条产生异常的指令，通过这两条指令可以用软件的方法实现异常。
三、ARM-THUMB 子程序调用规则 ATPCS
为了使 C 语言程序和汇编程序之间能够互相调用，必须为子程序间的调用制定规则，在ARM 处理器中，这个规则被称为 ATPCS： ARM 程序和 Thumb 程序中子程序调用的规则。 基本的ATPCS 规则包括寄存器使用规则、数据栈使用规则、参数传递规则。
3.1、寄存器使用规则
ARM 处理器中有 r0～r15 共 16 个寄存器， 它们的用途有一些约定的习惯，并依具这些用途定义了别名，如下表所示：
| 寄存器 | 别名 | 使用规则 |
|---|---|---|
| Text | Text | Text |
| r15 | pc | 程序计数器 |
| r14 | lr | 连接寄存器 |
| r13 | sp | 数据栈指针 |
| r12 | ip | 子程序内部调用的 scratch 寄存器 |
| r11 | v8 | ARM 状态局部变量寄存器 8 |
| r10 | v7、 s1 | ARM 状态局部变量寄存器 7、在支持数据栈检查的 ATPCS 中为数据栈限制指针 |
| r9 | v6、 sb | ARM 状态局部变量寄存器 6、在支持 RWPI 的 ATPCS 中为静态基址寄存器 |
| r8 | v5 | ARM 状态局部变量寄存器 5 |
| r7 | v4、 wr | ARM 状态局部变量寄存器 4、 Thumb 状态工作寄存器 |
| r6 | v3 | ARM 状态局部变量寄存器 3 |
| r5 | v2 | ARM 状态局部变量寄存器 2 |
| r4 | v1 | ARM 状态局部变量寄存器 1 |
| r3 | a4 | 参数/结果/scratch 寄存器 4 |
| r2 | a3 | 参数/结果/scratch 寄存器 3 |
| r1 | a2 | 参数/结果/scratch 寄存器 2 |
| r0 | a1 | 参数/结果/scratch 寄存器 1 |
3.2、 数据栈使用规则
数据栈有两个增长方向：向内存地址减小的方向增长时，称为 DESCENDING 栈；向内地址增加的方向增长时，称为 ASCENDING 栈。
所谓数据栈的增长就是移动栈指针。当栈指针指向栈顶元素(最后一个入栈的数据)时，称为 FULL 栈；当栈指针指向栈顶元素(最后一个入栈的数据)相邻的一个空的数据单元时，称为 EMPTY 栈。
综合这两个特点， 数据栈可以分为以下 4 种：① FD Full Descending，满递减;② ED Empty Descending，空递减;③ FA Full Ascending，满递增;④ EA Empty Ascending，空递增。
ATPCS 规定数据栈为 FD 类型，并且对数据栈的操作是 8 字节对齐的。 使用 stmdb/ldmia批量内存访问指令来操作 FD 数据栈。
3.3、 参数传递规则
一般来说，当参数个数不超过 4 个时，使用 r0～r3 这 4 个寄存器来传递参数；如果参数个数超过 4 个，剩余的参数通过数据栈来传递。对于一般的返回结果， 通常使用 a0～a3 来传递。
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