ARM指令详解之Load/Store指令

Load/Store指令
Load/Store指令用于寄存器和内存间数据的传送。
Load 用于把内存中的数据装载到寄存器中。
Store用于把寄存器中的数据存入内存。
该集合的指令使用频繁，在指令集中最为重要，因为其他指令只能操作寄存器，当数据存放在内存中时，必须先把数据从内存装载到寄存器，执行完后再把寄存器中的数据存储到内存中。
Load/Store指令分为3类：
（1）单一数据传送指令（LDR和STR等）
（2）多数据传送指令（LDM和STM）
（3）数据交换指令（SWP和SWPB）
Load/Store指令1-1
1．LDR 字数据加载指令
格式：LDR{} ,;
功能：把addr所表示的内存地址中的字数据装载到目标寄存器Rd中，同时还可以把合成的有效地址写回到基址寄存器。
地址addr可以是一个简单的值、一个偏移量，或者是一个被移位的偏移量。
寻址方式：
Rn：基址寄存器。
Rm：变址寄存器。
Index：偏移量，12位的无符号数。
LDR Rd,[Rn]
;把内存中地址为Rn的字数据装入寄存器Rd中
LDR Rd,[Rn,Rm]
;将内存中地址为Rn+Rm的字数据装入寄存器Rd中

Load/Store指令1-2
LDR Rd,[Rn,＃index]
;将内存中地址为Rn+index的字数据装入Rd中
LDR Rd,[Rn,Rm,LSL＃5]
;将内存中地址为Rn+Rm×32的字数据装入Rd
LDR Rd,[Rn,Rm] ！
;将内存中地址为Rn+Rm的字数据装入Rd，并将新地址Rn+Rm写入Rn
LDR Rd,[Rn,＃index] ！
;将内存中地址为Rn+index的字数据装入Rd，并将新地址Rn+index写入Rn
LDR Rd,[Rn,Rm，LSL＃5]！
;将内存中地址为Rn+Rm×32的字数据装入Rd，并将新地址Rn+Rm×32写入Rn

Load/Store指令1-3
LDR Rd,[Rn],Rm
;将内存中地址为Rn的字数据装入寄存器Rd，并将新地址Rn+Rm写入Rn
LDR Rd,[Rn],＃index;将内存中地址为Rn的字数据装入寄存器Rd，并将新地址Rn+index写入Rn
LDR Rd,[Rn],Rm,LSL＃5
;将内存中地址为Rn的字数据装入寄存器Rd，并将新地址Rn+Rm×32写入Rn
例如：
LDR R0,[R1,R2,LSL＃5]!
; 将内存中地址为R1+R2×32的字数据装入寄存器R0，并将新地址R1+R2×32写入R1

Load/Store指令2
LDRB 字节数据加载指令
格式：LDR{}B ,;
功能：同LDR指令，但该指令只是从内存读取一个8位的字节数据而不是一个32位的字数据，并将Rd的高24位清0。
例如：
LDRB R0,[R1]
;将内存中起始地址为R1的一个字节数据装入R0中

Load/Store指令3
3．LDRBT 用户模式的字节数据加载指令
格式：LDR{}BT ,;
功能：同LDRB指令，但无论处理器处于何种模式，都将该指令当作一般用户模式下的内存操作。

Load/Store指令4
4．LDRH 半字数据加载指令
格式：LDR{}H ,;
功能：同LDR指令，但该指令只是从内存读取一个16位的半字数据而不是一个32位的字数据，并将Rd的高16位清0。
例如：
LDRH R0,[R1]
;将内存中起始地址为R1的一个半字数据装入R0中

Load/Store指令5
5．LDRSB 有符号的字节数据加载指令
格式：LDR{}SB ,;
功能：同LDRB指令，但该指令将寄存器Rd的高24位设置成所装载的字节数据符号位的值。
例如：
LDRSB R0,[R1]
;将内存中起始地址为R1的一个字节数据装入R0中，R0的高24位设置成该字节数据的符号位

Load/Store指令6
6．LDRSH 有符号的半字数据加载指令
格式：LDR{}SH ,;
功能：同LDRH指令，但该指令将寄存器Rd的高16位设置成所装载的半字数据符号位的值。
例如：
LDRSH R0,[R1]
;将内存中起始地址为R1的一个16位半字数据装入R0中，R0的高16位设置成该半字数据的符号位

Load/Store指令7
7．LDRT 用户模式的字数据加载指令
格式：LDR{}T ,;
功能：同LDR指令，但无论处理器处于何种模式，都将该指令当作一般用户模式下的内存操作。
addr所表示的有效地址必须是字对齐的，否则从内存中读出的数值需进行循环右移操作。

Load/Store指令8
8．STR 字数据存储指令
格式：STR{} ,;
功能：把寄存器Rd中的字数据（32位）保存到addr所表示的内存地址中，同时还可以把合成的有效地址写回到基址寄存器。
地址addr可以是一个简单的值、一个偏移量，或者是一个被移位的偏移量。
寻址方式同LDR指令。
例如：
STR R0,[R1,＃5]!
;把R0中的字数据保存到以R1+5为地址的内存中，然后R1＝R1+5

  STR指令应用举例
STR指令应用举例Load/Store指令9
9．STRB 字节数据存储指令
格式：STR{}B ,;
功能：把寄存器Rd中的低8位字节数据保存到addr所表示的内存地址中。
其他用法同STR指令。
例如：
STRB R0,[R1]
;将寄存器R0中的低8位数据存入R1表示的内存地址中

Load/Store指令10
10．STRBT 用户模式的字节数据存储指令
格式：STR{}BT ,;
功能：同STRB指令，但无论处理器处于何种模式，该指令都将被当作一般用户模式下的内存操作。

Load/Store指令11
11．STRH 半字数据存储指令
格式：STR{}H ,;
功能：把寄存器Rd中的低16位半字数据保存到addr所表示的内存地址中，而且addr所表示的地址必须是半字对齐的。
其他用法同STR指令。
例如：
STRH R0,[R1]
;将寄存器R0中的低16位数据存入R1表示的内存地址中

存储格式对于加载/存储指令的影响
Load/Store指令12
12．STRT 用户模式的字数据存储指令
格式：STR{}T ,;
功能：同STR指令，但无论处理器处于何种模式，该指令都将被当作一般用户模式下的内存操作。

Load/Store指令13-1
13．LDM 批量数据加载指令
格式：
LDM{}{} {!},{^};
功能：从一片连续的内存单元读取数据到各个寄存器中，内存单元的起始地址为基址寄存器Rn的值，各个寄存器由寄存器列表regs表示。
该指令一般用于多个寄存器数据的出栈。
type字段种类：
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。

注意：有一个约定，编号低的寄存器在存储数据或者加载数据时对应于存储器的低地址。

Load/Store指令13-2
例如 LDMIA/IB/DA/DB R13!,{R0-R1,R3};
各指令执行完后，结果如图所示。

Load/Store指令13-4
FD、ED、FA和EA指定是满栈还是空栈，是升序栈还是降序栈，用于堆栈寻址。
一个满栈的栈指针指向上次写的最后一个数据单元.
空栈的栈指针指向第一个空闲单元。
一个降序栈是在内存中反向增长而升序栈在内存中正向增长。

Load/Store指令13-5
格式：
LDM{}{} {!},{^};
{!}：若选用了此后缀，则当指令执行完毕后，将最后的地址写入基址寄存器。
{^}：当regs中不包含PC时，该后缀用于指示指令所用的寄存器为用户模式下的寄存器，否则指示指令执行时，将寄存器SPSR的值复制到CPSR中。

Load/Store指令14-1
14．STM 批量数据存储指令
格式：STM{}{} {!},{^};
功能：将各个寄存器的值存入一片连续的内存单元中，内存单元的起始地址为基址寄存器Rn的值，各个寄存器由寄存器列表regs表示。
该指令一般用于多个寄存器数据的入栈。
{^}：指示指令所用的寄存器为用户模式下的寄存器。
其他参数用法同LDM指令。
例如：
STMEA R13!,{R0-R12,PC}
;将寄存器R0~R12以及程序计数器PC的值保存到R13指示的堆栈中

Load/Store指令14-2
举例：其中R1为指令执行前的基址寄存器，R1’则为指令执行后的基址寄存器

Load/Store指令14-3
堆栈操作和数据块传送指令类似，也有4种模式，它们之间的关系如下表所示：

Load/Store指令15
15．SWP 字数据交换指令
格式：SWP{} ,,[];
功能： Rd＝[op2]，[op2]＝op1
从op2所表示的内存装载一个字并把这个字放置到目的寄存器Rd中，然后把寄存器op1的内容存储到同一内存地址中。
op1，op2均为寄存器。
例如：
SWP R0,R1,[R2]
;将R2所表示的内存单元中的字数据装载到R0，然后将R1中的字数据保存到R2所表示的内存单元中

Load/Store指令16
16．SWPB 字节数据交换指令
格式：SWP{}B ,,[];
功能：从op2所表示的内存装载一个字节并把这个字节放置到目的寄存器Rd的低8位中，Rd的高24位设置为0；然后将寄存器op1的低8位数据存储到同一内存地址中。
例如：
SWPB R0,R1,[R2]
;将R2所表示的内存单元中的一个字节数据装载到R0的低8位，然后将R1中的低8位字节数据保存到R2所表示的内存单元中

程序状态寄存器指令
用于状态寄存器和通用寄存器间传送数据。
总共有两条指令：MRS和MSR。
两者结合可用来修改程序状态寄存器的值。

程序状态寄存器指令1
1．MRS 程序状态寄存器到通用寄存器的数据传送指令
格式：MRS{} ,CPSR/SPSR;
功能：用于将程序状态寄存器的内容传送到目标寄存器Rd中。
当进入中断服务程序或进程切换时，该指令可用来保存当前状态寄存器的值。
例如：
MRS R0,CPSR
;状态寄存器CPSR的值存入寄存器R0中

程序状态寄存器指令2
2．MSR 通用寄存器到程序状态寄存器的数据传送指令
格式：MSR{} CPSR/SPSR_,;
功能：用于将寄存器Rd的值传送到程序状态寄存器中。
当退出中断服务程序或进程切换时，该指令可用来恢复状态寄存器的值。
操作数op1可以是通用寄存器或立即数。
：用来设置状态寄存器中需要操作的位。
32位的状态寄存器可以分为4个域：
位[31：24]为条件标志位域，用f表示。
位[23：16]为状态位域，用s表示。
位[15：8]为扩展位域，用x表示。
位[7：0]为控制位域，用c表示。
例如：MSR CPSR_f,R0
;用R0的值修改CPSR的条件标志域
MSR CPSR_fsxc,#5; CPSR的值修改为5

协处理器指令
ARM处理器最多可支持16个协处理器，用于辅助ARM完成各种协处理操作。
在程序执行过程中，各协处理器只执行自身的协处理指令，而忽略属于ARM处理器和其他协处理器的指令。
ARM协处理器指令可分为3类：
（1）ARM处理器用于初始化协处理器的数据操作指令（CDP）。
（2）协处理器寄存器和内存单元之间的数据传送指令（LDC，STC）。
（3）ARM处理器寄存器和协处理器寄存器之间的数据传送指令（MCR，MRC）。

CDP协处理器操作指令
格式：CDP{}

,,,,,;
功能：用于传递指令给协处理器p，要求其在寄存器CRn和CRm上，进行操作opcode1，并把结果存放到CRd中，可以使用opcode2提供与操作有关的补充信息。
指令中的所有寄存器均为协处理器的寄存器，操作由协处理器完成。
指令中:
P为协处理器编号；
CRd为目的寄存器的协处理器寄存器；
CRm和CRn为存放操作数的协处理器寄存器；
Opcode1和opcode2为协处理器即将执行的操作。
例如：CDP p5，5，c0，c1，c2，9；
该指令用于通知协处理器p5，在c1和c2上执行操作5和9，并将结果存放到c0中。

LDC协处理器数据读取指令
格式：LDC {}{L}

,,;
功能：将addr表示的内存地址中的连续数据传送到目的寄存器CRd中。
L表示指令为长读取操作，比如用于双精度数据的传输；
目的寄存器CRd为协处理器的寄存器；
addr的寻址方式同LDR指令，其寄存器为ARM处理器的寄存器。
例如：
LDC p5，c1，[R1+5]:该指令用于将R1＋5所对应的存储单元中的数据，传送到协处理器p5的寄存器c1中。

STC协处理器数据存储指令
格式：STC{}{L}

,,;
功能：将寄存器CRd的值传送到addr表示的内存地址中。指令中各参数用法同LDC。
例如：STC p5，c1，[R1+5];
该指令用于将协处理器p5中寄存器c1的数据传送到R1＋5所对应的存储单元中。

MCR ARM寄存器到协处理器寄存器的数据传送指令
格式：MCR{}

,,,,{,op2};
功能：将ARM处理器的寄存器Rd中的数据传送到协处理器p的寄存器CRn，CRm中；op1，op2为协处理器将要执行的操作。
例如：MCR p5,5,R1,C1,C2,9；该指令将R1中的数据传送到协处理器p5的寄存器C1，C2中，协处理器执行操作5和9。

MRC 协处理器寄存器到ARM寄存器的数据传送指令
格式：MRC {}

,,,,{,op2};
功能：将协处理器p的寄存器CRn，CRm的数据传送到ARM处理器的寄存器Rd中；op1，op2为协处理器将要执行的操作。
例如：MRC p5,5,R1,C1,C2,9；该指令将寄存器C1，C2中的数据传送到R1中，协处理器p5协处理器执行操作5和9。

异常中断指令1
1．SWI 软件中断指令
格式：SWI {} 24位的立即数；
功能：用于产生软件中断，以使用户程序调用操作系统的系统例程。
指令中24位的立即数指定用户程序调用系统例程的类型，其参数通过通用寄存器传递。
当24位的立即数被忽略时，系统例程类型由寄存器R0指定，其参数通过其他通用寄存器传递。
例如：
SWI 0X05; 调用编号为05的系统例程。

异常中断指令3
2．BKPT 断点中断指令
格式：BKPT 16位的立即数；
功能：用于产生软件断点中断，以便软件调试时使用。16位的立即数用于保存软件调试中额外的断点信息。
指令操作的伪代码：
if (not overdiden by debug hardware) then
R14_abt = adderss of BKPT instruction + 4
SPSR_abt = CPSR
CPSR[4:0] = 0b10111
CPSR[5] = 0

CPSR[7] = 1
if high vectors configured then
PC = 0xFFFF000C
else
PC = 0x0000000C