3.7 ARM指令集

ARM微处理器的指令集是加载/存储型的，即指令集仅能处理寄存器中的数据，而且处理结果都要放回寄存器中，而对系统存储器的访问则需要通过专门的加载/存储指令来完成。

ARM指令集可以是以下任意一种：

■ 32bit长（ARM状态）；

■ 16bit长（Thumb状态）。

所有ARM指令都是32位长度，指令以字对准方式保存，这样ARM状态指令地址的最低2位总是零。实际上，一些指令通常使用最低有效位来判定代码是转向Thumb代码还是ARM代码。

所有Thumb指令都是16位长度，这些指令可在存储器中以半字对准方式保存。因此，指令的最低有效位在Thumb状态下总是零。实际上，Thumb指令集是32位ARM指令集的功能子集。

3.7.1 ARM指令的格式

下面首先讲述ARM指令的基本格式，然后具体介绍条件码的一些含义。

（1）基本格式

<opcode>{<cond>}{S} <Rd>，<Rn>{，<opcode2>}

其中，<>内的项是必须的，{}内的项是可选的。如<opcode>是指令助记符，是必须的，而{<cond>}为指令执行条件，是可选的，如果不写则使用默认条件AL。

■ opcode指令助记符：如LDR，STR等。

■ cond执行条件：如EQ，NE等。

■ S：是否影响CPSR 寄存器的值，书写时影响CPSR，否则不影响。

■ Rd：目标寄存器。

■ Rn：第一个操作数的寄存器。

■ operand2：第二个操作数。在ARM指令中，灵活的使用第2个操作数能提高代码效率。

（2）条件码

几乎所有的ARM指令都包含一个可选择的条件码，即{<cond>}。使用指令条件码，可实现高效的逻辑操作，提高代码效率。ARM条件码参见表3-3。

表3-3 ARM条件码

3.7.2 ARM指令分类

ARM指令主要包括ARM存储器访问指令、ARM数据处理指令、ARM跳转指令、ARM协处理器指令、ARM伪指令和ARM杂项指令。

（1）ARM存储器访问指令

ARM微处理器支持加载/存储指令用于在寄存器和存储器之间传送数据，加载指令用于将存储器中的数据传送到寄存器，存储指令则完成相反的操作。ARM的加载/存储指令是可以实现字、半字、无符/有符字节操作；批量加载/存储指令可实现一条指令加载/存储多个寄存器的内容；SWP指令是一条寄存器和存储器内容交换的指令，可用于信号量操作等。

ARM处理器是冯处诺依曼存储结构，程序空间、RAM空间及I/O映射空间统一编址，除对RAM操作以外，对外围I/O、程序数据的访问均要通过加载/存储指令进行。

ARM存储访问指令参见表3-4。

表3-4 ARM存储访问指令

指令示例：

1）LDR R0，[R1]；将存储器地址为R1的字数据读入寄存器R0。

2）LDR R0，[R1，R2]；将存储器地址为R1+R2的字数据读入寄存器R0。

3）LDR R0，[R1，#8]；将存储器地址为R1+8的字数据读入寄存器R0。

4）LDR R0，[R1，R2]!；将存储器地址为R1+R2的字数据读入寄存器R0，并将新地址R1+R2写入R1。

5）LDR R0，[R1，#8]!；将存储器地址为R1+8的字数据读入寄存器R0，并将新地址R1+8写入R1。

6）LDR R0，[R1]，R2；将存储器地址为R1的字数据读入寄存器R0，并将新地址R1+R2写入R1。

7）LDR R0，[R1，R2，LSL#2]!；将存储器地址为R1+R2×4的字数据读入寄存器R0，并将新地址R1＋R2×4写入R1。

8）LDRB R0，[R1，#8]；将存储器地址为R1+8的字节数据读入寄存器R0，并将R0的高24位清零。

9）LDRH R0，[R1，R2]；将存储器地址为R1+R2的半字数据读入寄存器R0，并将R0的高16位清零。

10）STR R0，[R1]，#8；将R0中的字数据写入以R1为地址的存储器中，并将新地址R1+8写入R1。

11）STRB R0，[R1，#8]；将寄存器R0中的字节数据写入以R1+8为地址的存储器中。

12）STRH R0，[R1]；将寄存器R0中的半字数据写入以R1为地址的存储器中。

（2）ARM数据处理指令

数据处理指令可分为数据传送指令、算术逻辑运算指令和比较指令等。数据传送指令用于在寄存器和存储器之间进行数据的双向传输。所有ARM数据处理指令均可选择使用S后缀，以影响状态标志。比较指令不需要后缀S，它们会直接影响状态标志。算术逻辑运算指令完成常用的算术与逻辑的运算，该类指令不但将运算结果保存在目的寄存器中，同时更新CPSR中的相应条件标识位。比较指令不保存运算结果，只更新CPSR中相应的条件标识位。

ARM数据处理指令参见表3-5。

表3-5 ARM数据处理指令

指令示例：

1）MOV R1，R0；将寄存器R0的值传送到寄存器R1。

2）MOV PC，R14；将寄存器R14的值传送到PC，常用于子程序返回。

3）MOV R1，R0，LSL #3；将寄存器R0的值左移3位后传送到R1。

4）MVN R0，#0；将立即数零取反传送到寄存器R0中，完成后R0= -1。

5）CMP R1，R0；将寄存器R1的值与寄存器R0的值相减，并根据结果设置CPSR的标识位。

6）CMN R1，R0；将寄存器R1的值与寄存器R0的值相加，并根据结果设置CPSR的标识位。

7）TST R1，#0xffe；将寄存器R1的值与立即数0xffe按位与，并根据结果设置CPSR的标识位。

8）TEQ R1，R2；将寄存器R1的值与寄存器R2的值按位异或，并根据结果设置CPSR的标识位。

9）ADD R0，R1，R2；R0 = R1 + R2。

10）ADDS R0，R4，R8；加低端的字。

11）ADCS R1，R5，R9；加第二个字，带进位。

12）SUB R0，R1，#256；R0 = R1-256。

13）RSB R0，R1，R2；R0 = R2-R1。

14）AND R0，R0，#3；该指令保持R0的0、1位，其余位清零。

15）ORR R0，R0，#3；该指令设置R0的0、1位，其余位保持不变。

16）EOR R0，R0，#3；该指令反转R0的0、1位，其余位保持不变。

（3）ARM跳转指令

跳转指令用于实现程序流程的跳转，在ARM中有两种方式可以实现程序的跳转，一种是使用跳转指令直接跳转，另一种则是直接向PC寄存器赋值实现跳转。

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，可以保存将来的返回地址值，从而实现在4GB连续的线性地址空间的子程序调用。

ARM指令集中的跳转指令可以完成从当前指令向前或向后的32MB的地址空间的跳转。

包括以下4条指令：

■ B（跳转指令）

B指令的格式为

B{条件} 目标地址

B指令是最简单的跳转指令。一旦遇到一个B指令，ARM处理器将立即跳转到给定的目标地址，在给定的目标地址中继续执行。注意存储在跳转指令中的实际值是相对当前PC值的一个偏移量，而不是一个绝对地址，它的值由汇编器来计算（参考寻址方式中的相对寻址）。它是24位有符号数，左移两位后有符号扩展为32位，表示的有效偏移为26位（前后32MB的地址空间）。例如，指令：

B Label；程序无条件跳转到标号Label处执行
CMP R1，#0；当CPSR寄存器中的Z条件码置位时，程序跳转到标号Label处执行
BEQ Label

■ BL（带返回的跳转指令）

BL指令的格式为

BL{条件} 目标地址

BL是另一个跳转指令，但跳转之前，会在寄存器R14中保存PC的当前内容，因此，可以通过将R14的内容重新加载到PC中，再返回到跳转指令后的那个指令处执行。该指令是实现子程序调用的一个基本但常用的手段。如指令：

BL Label；当程序无条件跳转到标号Label处执行时，同时将当前的PC值保存到R14中。

■ BLX（带返回和状态切换的跳转指令）

BLX指令的格式为

BLX 目标地址

BLX指令有两种格式。第1种格式记作BLX（1）。BLX（1）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PC的当前内容保存到寄存器R14中。因此，当子程序使用Thumb指令集，而调用者使用ARM指令集时，可以通过BLX指令实现子程序的调用和处理器工作状态的切换。同时，子程序的返回可以通过将寄存器R14值复制到PC中来完成。第2种格式记作BLX（2）。BLX（2）从ARM指令集跳转到指令中所指定的目标地址，目标地址的指令可以是ARM指令，也可以是Thumb指令。该指令同时将PC的当前内容保存到寄存器R14中。

■ BX（带状态切换的跳转指令）

BX指令的格式为

BX{条件} 目标地址

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。

（4）ARM协处理器指令

ARM微处理器支持协处理器操作，协处理器的控制要通过协处理器命令实现。在程序执行的过程中，每个协处理器只执行针对自身的协处理指令，忽略ARM处理器和其他协处理器的指令。

ARM的协处理器指令主要用于ARM处理器初始化、ARM协处理器的数据处理操作，以及在ARM处理器的寄存器和协处理器的寄存器之间传送数据和在ARM协处理器的寄存器和存储器之间传送数据。

ARM协处理器指令参见表3-6。

例如，指令：

1）CDP P3，2，C12，C10，C3，4；该指令完成协处理器P3的初始化。

表3-6 ARM协处理器指令

2）LDC P3，C4，[R0]；将ARM处理器的寄存器R0所指向的存储器中的字数据传送到协处理器P3的寄存器C4中。

3）STC P3，C4，[R0]；将协处理器P3的寄存器C4中的字数据传送到ARM处理器的寄存器R0所指向的存储器中。

4）MCR P3，3，R0，C4，C5，6；该指令将ARM处理器寄存器R0中的数据传送到协处理器P3的寄存器C4和C5中。

5）MRC P3，3，R0，C4，C5，6；该指令将协处理器P3的寄存器中的数据传送到ARM处理器寄存器中。

（5）ARM伪指令

1）ADR，将程序相对偏移或寄存器相对偏移地址加载到寄存器中。

指令格式为

ADR{cond} register，expr

其中，register 加载的寄存器。

expr 程序相对偏移或寄存器相对偏移表达式。

2）ADRL，将程序相对偏移或寄存器相对偏移地址加载到寄存器中。

指令格式为

ADR {cond} register，expr

3）LDR，用32位常量或一个地址加载寄存器。

指令格式为

LDR {cond} register，=[expr | label-expr]

其中，register 加载的寄存器。

expr 赋值成数字常量。

label-expr 程序相对偏移或外部表达式。

4）NOP，NOP产生所需的ARM无操作代码。

NOP不能有条件使用。执行和不执行无操作指令是一样的，因而不需要有条件执行。ALU状态标志不受NOP影响。

（6）ARM杂项指令

1）SWI，引起软件中断。这意味着处理器模式变换为管理模式，CPSR保存到管理模式的SPSR中，执行转移到SWI矢量。

指令格式为

SWI {cond} immed_24

其中，immed_24为表达式，其值为0～224-1范围内的整数。

2）MRS，将CPSR或SPSR的内容传送到通用寄存器。

指令格式为

MRS {cond} Rd，psr

其中，Rd 目标寄存器。Rd不允许为R15。

psr CPSR或SPSR。

3）MSR，用立即数或通用寄存器的内容加载CPSR或SPSR的指定区域。

指令格式为

MSR {cond} <psr>_<fields>，#immed_8r
MSR {cond} <psr>_<fields>，Rm

其中，<psr> CPSR或SPSR。

<fields> 指定传送的区域。

immed_8r 值为数字常量的表达式。

4）BKPT，引起处理器进入调试模式。

指令格式为

BKPT immed_16

其中，immed_16为表达式，其值为在0～65536内的整数。

3.7.3 Thumb指令介绍

16位Thumb指令集是从32位ARM指令集提取指令格式的，每条Thumb指令有针对相同处理器模型对应的32位ARM指令。

ARM开发工具完全支持Thumb指令，应用程序可以灵活的将ARM和Thumb子程序混合编程，以便在编程的基础上提高性能或代码密度。

（1）Thumb指令的特点

■ 16位的指令子集，代码密度小。

■ 在指令集名中，含有T的均可执行Thumb指令。

■ CPSR中的T标识位决定是执行Thumb指令还是ARM指令，如置位，执行Thumb指令，否则执行ARM指令。

■ Thumb状态下没有协处理器指令。

■ 所有Thumb指令均有对应的ARM指令。

■ Thumb是一个不完整的体系结构，不能使处理器只执行Thumb代码而不支持ARM指令集。

（2）Thumb模式的进入和退出

■ 进入Thumb模式

进入Thumb指令模式有两种方法：一种是执行一条交换转移指令BX，另一种是利用异常返回，也可以把微处理器从ARM模式转换为Thumb模式。

■ 退出Thumb模式

退出Thumb指令模式也有两种方法：一种是执行Thumb指令中的交换转移BX指令，可以显式的返回到ARM指令流；另一种是利用异常进入ARM指令流。

3.7.4 Thumb指令分类

Thumb指令主要包括Thumb存储器访问指令、Thumb数据处理指令、Thumb跳转指令、Thumb杂项指令和Thumb伪指令。

（1）Thumb存储器访问指令

Thumb存储器访问指令参见表3-7。

表3-7 Thumb存储器访问指令

（2）Thumb数据处理指令

Thumb数据处理指令参见表3-8。

表3-8 Thumb数据处理指令

续表

（3）Thumb跳转指令

分支指令用于向后转移形成循环、条件结构向前转移、转向子程序和处理器从Thumb状态切换到ARM状态。

程序相对转移，特别是条件转移与在ARM状态下相比，在范围上有更多的限制，转向子程序只能是无条件转移。

Thumb跳转指令有B、BL、BX4和BLX条指令。

1）B指令

格式1：B <条件码> <Label>

编码结构如图3-16所示。

格式2：B <Label>

编码结构如图3-17所示。

2）BL指令

格式：BL{X} <Label>

编码结构如图3-18所示。

3）BX、BLX指令

格式： BX Rm

或BLX Rm

其中，Rm装有目的地址的ARM寄存器，m=0～15。Rm的位[0]不用于地址部分。若Rm的位[0]清零，则位[1]也必须清零；指令清零CPSR中的标志T，目的地址的代码被解释为ARM代码。

编码结构如图3-19所示。

（4）Thumb杂项指令

Thumb杂项指令有软件中断指令SWI和断点中断指令BKPT。

（5）Thumb伪指令

Thumb伪指令有ADR，LDR和NOP。

3.7.5 ARM指令集和Thumb指令集的区别

ARM体系结构除了支持执行效率很高的32位ARM指令集外，同时支持16位的Thumb指令集。Thumb指令集允许指令编码为16位的长度。Thumb指令集在保留32位代码优势的同时，大大的节省了系统的存储空间。

所有的Thumb指令都有对应的ARM指令，而且Thumb的编程模型也对应于ARM的编程模型，在应用程序的编写过程中，只要遵循一定调用的规则，Thumb子程序和ARM子程序就可以互相调用。与ARM指令集相比较，Thumb指令集中的数据处理指令的操作数仍然是32位，指令地址也为32位，但Thumb指令集为实现16位的指令长度。大多数的Thumb数据处理指令的目的寄存器与其中一个源寄存器相同。

Thumb指令可以看作是ARM指令压缩形式的子集，是针对代码密度的问题而提出的，它具有16位的代码密度，但是它不如ARM指令的效率高。Thumb指令集不是一个完整的体系结构，没有协处理器指令、信号量指令及访问CPSR或SPSR的指令，没有乘加指令及64位乘法指令等。除了跳转指令B有条件执行功能外，其他指令均为无条件执行。因此，Thumb指令只需要支持通用功能，必要时可以借助于完善的ARM指令集。

由于Thumb指令的长度为16位，即只用ARM指令一半的位数来实现同样的功能，所以，要实现特定的程序功能，所需的Thumb指令的条数较ARM指令多。一般情况下，Thumb指令与ARM指令的时间效率和空间效率关系为Thumb代码所需的存储空间为ARM代码的60%～70%，Thumb代码使用的指令数约比ARM代码多30%～40%。

Thumb指令集与ARM指令的区别一般有如下4点。

（1）单寄存器加载和存储指令

在Thumb状态下，单寄存器加载和存储指令只能访问寄存器R0～R7。

（2）批量寄存器加载和存储指令

LDM和STM指令可以将任何范围为R0～R7的寄存器子集加载或存储。PUSH和POP指令使用堆栈指令R13作为基址实现满递减堆栈。除R0～R7外，PUSH指令还可以存储链接寄存器R14，并且POP指令可以加载程序指令PC。

（3）跳转指令

程序相对转移，特别是条件跳转与ARM代码下的跳转相比，在范围上有更多的限制，转向子程序是无条件的转移。

（4）数据处理指令

数据处理指令是对通用寄存器进行操作，在大多数情况下，操作的结果须放入其中一个操作数寄存器中，而不是第3个寄存器中。数据处理操作比ARM状态的更少，访问寄存器R8~R15受到一定限制。除MOV和ADD访问寄存器R8～R15外，其他数据处理指令总是更新CPSR中的ALU状态标志。访问寄存器R8～R15的Thumb数据处理指令不能更新CPSR中的ALU状态标志。

显然，ARM指令集和Thumb指令集各有其优点，若对系统的性能有较高要求，应使用32位的存储系统和ARM指令集；若对系统的成本及功耗有较高要求，则应使用16位的存储系统和Thumb指令集。当然，若两者结合使用，充分发挥其各自的优点，会取得更好的效果。