3.1 ARM处理器的指令格式
3.1.1 ARM指令集的特点
3.1 ARM处理器的指令格式
3.1.1 ARM指令集的特点
ARM内核属于RISC因此，其指令集具有一些独特的特点：指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式简单。ARM处理器采用固定长度的32位指令，可简化处理器内部硬件设计。ARM为了减少指令的翻译时间，大多数指令可以在一个时钟内完成。
ARM处理器指令可分为七类：加载/存储指令、数据处理指令、乘法指令、跳转指令、程序状态寄存器处理指令、协处理器指令和异常中断指令。
需要特别指出的是，ARM处理器的指令集是加载/存储的，即指令集只能处理寄存器中的数据，处理结果应放回寄存器中，系统存储器的访问需要通过特殊的加载/存储指令来完成。
根据操作数的特点，ARM指令可分为无操作数指令、单操作数指令、双操作数指令和三操作数指令。每个指令由操作代码域、条件代码域、条件代码设置域、目标操作数、第一操作数寄存器和第二操作数组成。
3.1.2 ARM指令的格式
每条ARM指令为32位，格式如下：
31 28 27 25 24 21 20 19 16 15 12 11 0
| 条件码 |
类别码 |
操作码 |
S |
目的寄存器 |
第一操作数 |
第二操作数 |
用ARM指令助记符表示：
每个域的含义如下：
1) <opcode>：操作码域，指令编码助记符；
2) {<cond>}：条件码域，指令允许执行的条件编码。花括号表示此项可缺省。
ARM该指令的一个重要特征是条件可以执行，每个指令ARM该指令的条件码域包4位条件码，共16种。几乎所有的指令都是基于CPSR有条件执行中条件码的状态和指令条件码域的设置。当指令执行条件满足时，指令被执行，否则将被忽略。指令条件码及其助记符后缀见表3.1。
每种条件码可用两个字符表示，这两个字符可以作为后缀添加在指令助记符的后面和指令同时使用。例如，跳转指令B可添加后缀EQ变为BEQ，表示相等则跳转CPSR中的Z跳转发生在标志位置。
表3.1 指令条件码
| 条件码 |
助记符后缀 |
标 志 |
含 义 |
| 0000 |
EQ |
Z置位 |
相等 |
| 0001 |
NE |
Z清零 |
不相等 |
| 0010 |
CS |
C置位 |
大于或等于无符号数 |
| 0011 |
CC |
C清零 |
无符号数小于 |
| 0100 |
MI |
N置位 |
负数 |
| 0101 |
PL |
N清零 |
正数或零 |
| 0110 |
VS |
V置位 |
溢出 |
| 0111 |
VC |
V清零 |
未溢出 |
| 1000 |
HI |
C置位Z清零 |
大于无符号数 |
| 1001 |
LS |
C清零Z置位 |
无符号> |
| 1010 |
GE |
N等于V |
带符号数大于或等于 |
| 1011 |
LT |
N不等于V |
带符号数小于 |
| 1100 |
GT |
Z清零且（N等于V） |
带符号数大于 |
| 1101 |
LE |
Z置位或（N不等于V） |
带符号数小于或等于 |
| 1110 |
AL |
忽略 |
无条件执行 |
3) {S}：条件码设置域。这是一个可选项，当在指令中设置{S}域时，指令执行的结果将会影响程序状态寄存器CPSR中相应的状态标志。
例如：
ADD R0，R1，R2； R1与R2的和存放到R0寄存器中，不影响状态寄存器
ADDS R0，R1，R2； 执行加法的同时影响状态寄存器
指令中比较特殊的是CMP指令，它不需要加S后缀就默认地根据计算结构更改程序状态寄存器。
4) <Rd>：目的操作数。ARM指令中的目的操作数总是一个寄存器。如果<Rd>与第一操作数寄存器<Rn>相同，也必须要指明，不能缺省。
5) <Rn>：第一操作数。ARM指令中的第一操作数也必须是个寄存器。
6) <shift_op2>：第二操作数。在第二操作数中可以是寄存器、内存存储单元或者立即数。
由于第二操作数只有12个bit，用第二操作数表示立即数时，其取值范围为0~212-1，要表示超出这个范围的立即数，通常要依靠伪指令实现。
3.2 ARM指令的寻址方式
所谓寻址方式就是处理器根据指令中给出的地址信息来寻找物理地址的方式。目前ARM指令系统支持如下几种常见的寻址方式。
3.2.1 立即寻址
立即寻址也叫立即数寻址，这是一种特殊的寻址方式，操作数本身就在指令中给出，只要取出指令也就取到了操作数。这个操作数被称为立即数，对应的寻址方式也就叫做立即寻址。例如以下指令：
ADD R0，R0，＃1 ；R0←R0＋1
ADD R0，R0，＃0x3f ；R0←R0＋0x3f
在以上两条指令中，第二操作数即为立即数，要求以“＃”为前缀，对于以十六进制表示的立即数，还要求在“＃”后加上“0x”，以二进制表示的立即数，要求在“＃”后加上“%”。
当立即数大于第二操作数的表示范围时，通常用以下伪指令实现：
LDR R0,=#0xffff0000
3.2.2 寄存器寻址
寄存器寻址就是利用寄存器中的数值作为操作数，这种寻址方式是各类微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。以下指令：
ADD R0，R1，R2 ；R0←R1＋R2
该指令的执行效果是将寄存器R1和R2的内容相加，其结果存放在寄存器R0中。
3.2.3 寄存器间接寻址
寄存器间接寻址就是以寄存器中的值作为操作数的地址，而操作数本身存放在存储器中。例如以下指令：
ADD R0，R1，[R2] ；R0←R1＋[R2]
LDR R0，[R1] ；R0←[R1]
STR R0，[R1] ；[R1]←R0
在第一条指令中，以寄存器R2的值作为操作数的地址，在存储器中取得一个操作数后与R1相加，结果存入寄存器R0中。
第二条指令将以R1的值为地址的存储器中的数据传送到R0中。
第三条指令将R0的值传送到以R1的值为地址的存储器中。
3.2.4 基址变址寻址
基址变址寻址就是将寄存器（该寄存器一般称作基址寄存器）的内容与指令中给出的地址偏移量相加，从而得到一个操作数的有效地址。变址寻址方式常用于访问某基地址附近的地址单元。采用变址寻址方式的指令常见有以下几种形式，如下所示：
LDR R0，[R1，＃4] ；R0←[R1＋4]
LDR R0，[R1，＃4]！ ；R0←[R1＋4]、R1←R1＋4
LDR R0，[R1] ，＃4 ；R0←[R1]、R1←R1＋4
LDR R0，[R1，R2] ；R0←[R1＋R2]
在第一条指令中，将寄存器R1的内容加上4形成操作数的有效地址，从而取得操作数存入寄存器R0中。
在第二条指令中，将寄存器R1的内容加上4形成操作数的有效地址，从而取得操作数存入寄存器R0中，然后，R1的内容自增4个字节。
在第三条指令中，以寄存器R1的内容作为操作数的有效地址，从而取得操作数存入寄存器R0中，然后，R1的内容自增4个字节。
在第四条指令中，将寄存器R1的内容加上寄存器R2的内容形成操作数的有效地址，从而取得操作数存入寄存器R0中。
3.2.5 多寄存器寻址
多寄存器寻址是ARM处理器特有的一种寻址方式。由于ARM内核有较多的通用寄存器，采用多寄存器寻址方式，一条指令可以一次完成多个寄存器值的传送。这种寻址方式可以用一条指令完成传送最多16个通用寄存器的值。例如以下指令：
LDMIA R0，{R1，R2，R3，R4} ；R1←[R0]
；R2←[R0＋4]
；R3←[R0＋8]
；R4←[R0＋12]
该指令的后缀IA表示在每次执行完加载/存储操作后，R0按字长度增加，因此，指令可将连续存储单元的值传送到R1～R4。
多个连续的寄存器可以用“-”符号连接；不连续的寄存器用“，”分隔书写，如上例可写成：
LDMIA R0，{R1-R4}
LDMIA R0，{R1-R3，R4}
3.2.6 寄存器移位寻址
寄存器移位寻址是ARM指令集特有的寻址方式。ARM处理器内嵌桶型移位器（Barrel Shifter），支持数据的各种移位操作。当第二操作数为寄存器时，可以加入移位操作选项对它进行各种移位操作。
移位操作包括如下6种类型：
寻址格式：
通用寄存器，LSL（或ASL） 操作数
完成对通用寄存器中的内容进行逻辑（或算术）的左移操作，按操作数所指定的数量向左移位，低位用零来填充。其中，操作数可以是通用寄存器，也可以是立即数（0～31）。
如：
MOV R0, R1, LSL#2 ；将R1中的内容左移两位后传送到R0中。
寻址格式：
通用寄存器，LSR 操作数
完成对通用寄存器中的内容进行右移的操作，按操作数所指定的数量向右移位，左端用零来填充。其中，操作数可以是通用寄存器，也可以是立即数（0～31）。
如：
MOV R0, R1, LSR#2 ；将R1中的内容右移两位后传送到R0中，左端用零来填充。
寻址格式：
通用寄存器，ASR 操作数
完成对通用寄存器中的内容进行右移的操作，按操作数所指定的数量向右移位，左端用第31位的值来填充。其中，操作数可以是通用寄存器，也可以是立即数（0～31）。
如：
MOV R0, R1, ASR#2 ；将R1中的内容右移两位后传送到R0中，左端用第31位的值来填充。
寻址格式：
通用寄存器，ROR 操作数
完成对通用寄存器中的内容进行循环右移的操作，按操作数所指定的数量向右循环移位，左端用右端移出的位来填充。其中，操作数可以是通用寄存器，也可以是立即数（0～31）。显然，当进行32位的循环右移操作时，通用寄存器中的值不改变。
如：
MOV R0, R1, ROR#2 ；将R1中的内容循环右移两位后传送到R0中。
寻址格式：
通用寄存器，RRX 操作数
完成对通用寄存器中的内容进行带扩展的循环右移的操作，按操作数所指定的数量向右循环移位，左端用进位标志位C来填充。其中，操作数可以是通用寄存器，也可以是立即数（0～31）。
如：
MOV R0, R1, RRX#2 ；将R1中的内容进行带扩展的循环右移两位后传送到R0中。
3.2.7 相对寻址
与基址变址寻址方式相类似，相对寻址以程序计数器PC的当前值为基地址，指令中的地址标号作为偏移量，将两者相加之后得到操作数的有效地址。以下程序段完成子程序的调用和返回，跳转指令BL采用了相对寻址方式：
BL NEXT ；跳转到子程序NEXT处执行
……
NEXT
……
MOV PC，LR ；从子程序返回
3.2.8 堆栈寻址
堆栈是一种数据结构，按先进后出（First In Last Out，FILO）的方式工作，使用一个称作堆栈指针的专用寄存器指示当前的操作位置，堆栈指针总是指向栈顶。
当堆栈指针指向最后压入堆栈的数据时，称为满堆栈（Full Stack），而当堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置时，称为空堆栈（Empty Stack）。
同时，根据堆栈的生成方式，又可以分为递增堆栈（Ascending Stack）和递减堆栈（Decending Stack）。当堆栈由低地址向高地址生成时，称为递增堆栈，当堆栈由高地址向低地址生成时，称为递减堆栈。这样就有四种类型的堆栈工作方式，ARM微处理器支持这四种类型的堆栈工作方式，即：
1． 满递增堆栈（FA）：堆栈指针指向最后压入的数据，且由低地址向高地址生成。
2． 满递减堆栈（FD）：堆栈指针指向最后压入的数据，且由高地址向低地址生成。
3． 空递增堆栈（EA）：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。
4． 空递减堆栈（ED）：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。
3.3 ARM指令集
本节对ARM指令集的七大类指令进行详细的描述。
3.3.1 加载/存储指令
ARM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。常用的加载存储指令如下：
LDR指令的格式为：
LDR{条件} 目的寄存器，<存储器地址>
LDR指令用于从存储器中将一个32位的字数据传送到目的寄存器中。该指令通常用于从存储器中读取32位的字数据到通用寄存器，然后对数据进行处理。当程序计数器PC作为目的寄存器时，指令从存储器中读取的字数据被当作目的地址，从而可以实现程序流程的跳转。该指令在程序设计中比较常用，且寻址方式灵活多样，请读者认真掌握。
如：
LDR R0，[R1] ；将存储器地址为R1的字数据读入寄存器R0。
LDR R0，[R1，R2] ；将存储器地址为R1+R2的字数据读入寄存器R0。
LDR R0，[R1，＃8] ；将存储器地址为R1+8的字数据读入寄存器R0。
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。
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。
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。
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。
LDR R0，[R1]，R2，LSL＃2 ；将存储器地址为R1的字数据读入寄存器R0，并将新地
；址R1＋R2×4写入R1。
STR指令的格式为：
STR{条件} 源寄存器，<存储器地址>
STR指令用于从源寄存器中将一个32位的字数据传送到存储器中。该指令在程序设计中比较常用，且寻址方式灵活多样，使用方式可参考指令LDR。
如：
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。
STR R0，[R1，＃8] ；将R0中的字数据写入以R1＋8为地址的存储器中。
LDR/STR指令都可以加B、H、SB、SH的后缀，分别表示加载/存储字节、半字、带符号的字节、带符号的半字。如LDRB指令表示从存储器加载一个字节进寄存器。当使用这些后缀时，要注意所使用的存储器要支持访问的数据宽度。
LDM（或STM）指令的格式为：
LDM（或STM）{条件}{类型} 基址寄存器{！}，寄存器列表{ ∧}
LDM（或STM）指令用于从由基址寄存器所指示的一片连续存储器到寄存器列表所指示的多个寄存器之间传送数据，该指令的常见用途是将多个寄存器的内容入栈或出栈。其中，{ 类型}为以下几种情况：
IA 每次传送后地址加1；
IB 每次传送前地址加1；
DA 每次传送后地址减1；
DB 每次传送前地址减1；
FD 满递减堆栈；
ED 空递减堆栈；
FA 满递增堆栈；
EA 空递增堆栈；
{ ！}为可选后缀，若选用该后缀，则当数据传送完毕之后，将最后的地址写入基址寄存器，否则基址寄存器的内容不改变。
基址寄存器不允许为R15，寄存器列表可以为R0～R15的任意组合。
{ ∧}为可选后缀，当指令为LDM且寄存器列表中包含R15，选用该后缀时表示：除了正常的数据传送之外，还将SPSR复制到CPSR。同时，该后缀还表示传入或传出的是用户模式下的寄存器，而不是当前模式下的寄存器。
如：
STMFD R13!，{R0，R4-R12，LR} ；将寄存器列表中的寄存器（R0，R4到R12，LR）存入堆栈。
LDMFD R13!，{R0，R4-R12，PC} ；将堆栈内容恢复到寄存器（R0，R4到R12，LR）。
SWP指令的格式为：
SWP{条件} 目的寄存器，源寄存器1，[源寄存器2]
SWP指令用于将源寄存器2所指向的存储器中的字数据传送到目的寄存器中，同时将源寄存器1中的字数据传送到源寄存器2所指向的存储器中。显然，当源寄存器1和目的寄存器为同一个寄存器时，指令交换该寄存器和存储器的内容。
如：
SWP R0，R1，[R2] ；将R2所指向的存储器中的字数据传送到R0，同时将R1中的字数据传送到R2所指向的存储单元。
SWP R0，R0，[R1] ；该指令完成将R1所指向的存储器中的字数据与R0中的字数据交换。
3.3.2 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。
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中的相应条件标志位。
比较指令不保存运算结果，只更新CPSR中相应的条件标志位。
1、
MOV指令的格式为：
MOV{条件}{S} 目的寄存器，源操作数
MOV指令可完成从另一个寄存器、被移位的寄存器或将一个立即数加载到目的寄存器。其中S选项决定指令的操作是否影响CPSR中条件标志位的值，当没有S时指令不更新CPSR中条件标志位的值。
如：
MOV R1，R0 ；将寄存器R0的值传送到寄存器R1
MOV PC，R14 ；将寄存器R14的值传送到PC，常用于子程序返回
MOV R1，R0，LSL＃3 ；将寄存器R0的值左移3位后传送到R1
2、
MVN指令的格式为：
MVN{条件}{S} 目的寄存器，源操作数
MVN指令可完成从另一个寄存器、被移位的寄存器、或将一个立即数加载到目的寄存器。与MOV指令不同之处是在传送之前按位被取反了，即把一个被取反的值传送到目的寄存器中。其中S决定指令的操作是否影响CPSR中条件标志位的值，当没有S时指令不更新CPSR中条件标志位的值。
如：
MVN R0，＃0 ；将立即数0取反传送到寄存器R0中，完成后R0=-1
3、
CMP指令的格式为：
CMP{条件} 操作数1，操作数2
CMP指令用于把一个寄存器的内容和另一个寄存器的内容或立即数进行比较，同时更新CPSR中条件标志位的值。该指令进行一次减法运算，但不存储结果，只更改条件标志位。标志位表示的是操作数1与操作数2的关系(大、小、相等)，例如，当操作数1大于操作操作数2，则此后的有GT 后缀的指令将可以执行。
如：
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的标志位
CMP R1，＃100 ；将寄存器R1的值与立即数100相减，并根据结果设置CPSR的标志位
4、
CMN指令的格式为：
CMN{条件} 操作数1，操作数2
CMN指令用于把一个寄存器的内容和另一个寄存器的内容或立即数取反后进行比较，同时更新CPSR中条件标志位的值。该指令实际完成操作数1和操作数2相加，并根据结果更改条件标志位。
如：
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的标志位
CMN R1，＃100 ；将寄存器R1的值与立即数100相加，并根据结果设置CPSR的标志位
5、
TST指令的格式为：
TST{条件} 操作数1，操作数2
TST指令用于把一个寄存器的内容和另一个寄存器的内容或立即数进行按位的与运算，并根据运算结果更新CPSR中条件标志位的值。操作数1是要测试的数据，而操作数2是一个位掩码，该指令一般用来检测是否设置了特定的位。
如：
TST R1，＃％1 ；用于测试在寄存器R1中是否设置了最低位（％表示二进制数）
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的标志位
6、
TEQ指令的格式为：
TEQ{条件} 操作数1，操作数2
TEQ指令用于把一个寄存器的内容和另一个寄存器的内容或立即数进行按位的异或运算，并根据运算结果更新CPSR中条件标志位的值。该指令通常用于比较操作数1和操作数2是否相等。
如：
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的标志位
7、
ADD指令的格式为：
ADD{条件}{S} 目的寄存器，操作数1，操作数2
ADD指令用于把两个操作数相加，并将结果存放到目的寄存器中。操作数1应是一个寄存器，操作数2可以是一个寄存器，被移位的寄存器，或一个立即数。
如：
ADD R0，R1，R2 ； R0 = R1 + R2
ADD R0，R1，#256 ； R0 = R1 + 256
ADD R0，R2，R3，LSL#1 ； R0 = R2 + (R3 << 1)
8、
ADC指令的格式为：
ADC{条件}{S} 目的寄存器，操作数1，操作数2
ADC指令用于把两个操作数相加，再加上CPSR中的C条件标志位的值，并将结果存放到目的寄存器中。它使用一个进位标志位，这样就可以做比32位大的数的加法，注意不要忘记设置S后缀来更改进位标志。操作数1应是一个寄存器，操作数2可以是一个寄存器，被移位的寄存器，或一个立即数。
以下指令序列完成两个128位数的加法，第一个数由高到低存放在寄存器R7～R4，第二个数由高到低存放在寄存器R11～R8，运算结果由高到低存放在寄存器R3～R0：
ADDS R0，R4，R8 ； 加低端的字
ADCS R1，R5，R9 ； 加第二个字，带进位
ADCS R2，R6，R10 ； 加第三个字，带进位
ADC R3，R7，R11 ； 加第四个字，带进位
9、
SUB指