ARM体系结构与常用汇编指令是什么

这篇文章给大家分享的是有关ARM体系结构与常用汇编指令是什么的内容。小编觉得挺实用的，因此分享给大家做个参考，一起跟随小编过来看看吧。

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：

 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：

 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。

 在异常模式下，有着不同的异常，其对应关系为：

 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：

  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：

  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：

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：
<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn>,<shifter_operand>，其中，<shifter_operand>有11种形式 。

内存访问指令寻址方式主要有以下几种。

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

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

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]

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)。

  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。

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）。

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

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

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
        <fields>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：

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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