ARM汇编指令详解

ARM的编程模式和七种模式

基本设定

• 架构（32位）

  • 约定
    • Byte（字节）：8bits
    • Halfword（半字） ：16 bits (2 byte)
    • Word（字）：32bits（4 byte）

• 指令集

  • ARM指令集（32-bit）
  • Thumb指令集（16-bit）
  • Thunmb指令集（16&32bit）不考虑

工作模式

• 种类：七种
• 非特权模式（Normal：普通模式）
  • User（用户模式）：非特权模式，大部分时候在这个模式下工作
• 特权模式（Privilege：特权模式）
  • FIQ（快速中断模式）：当一个高优先级（fast）中断产生时将会进入这种模式
  • IRQ（普通中断模式）：当一个低优先级（normal）中断产生时进入这种模式
  • SVC（管理模式）：当复位或软中断指令执行时进入
  • Abt（数据访问终止模式）：当存取异常时进入
  • und（未定义指令终止模式）：当执行未定义指令进入
  • sys（系统模式）：使用和User模式相同的寄存器的特权模式

Privilege除了System模式外，其他5种为异常模式

各种模式的切换，程序员通过代码切换，（CPSR寄存器）；也可以CPU在某些情况下自动切换（中断或者按复位键）

• 为什么要有这么多模式？

  操作系统有安全级别要求，多模式为了方便操作系统多种角色安全等级需求

ARM寄存器组织

• ARM 处理器有 37 个 32 位长的寄存器。

  • 1 个用作 PC（程序指针）。
  • 1 个用作 CPSR(程序状态寄存器)。
  • 5 个用作 SPSR（备份程序状态寄存器）。
  • 30 个用作通用寄存器。

注意：System模式使用user模式寄存器集

• CPSR程序状态寄存器

• 条件位

  • N：Negative result from ALU (ALU运算时负结果则置1)
  • Z：Zero result from ALU （ALU运算时零结果则置1）
  • C：ALU operation Carried out（进位标志位则置1）
  • V：ALU operation Carried out（溢出是则置1）

• Mode位（理论上可以有32种模式）

  • 实际ARM只有7种工作模式（每种模式值可查）

• T位（处理器状态控制位）

  • T = 0：处理器处于ARM状态（默认）

  • T = 1：处理器处于Thumb状态

• 中断禁止位：

  • I = 1：禁止 IRQ

  • F = 1：禁止FIQ（快速中断）

ARM异常向量表

• 异常：正常工作之外的流程都叫异常，中断是异常的一种。

  异常会打断正在执行的工作，并且一般我们希望异常处理完成后继续回来执行原来的工作。

• 异常向量表

  • 所有的CPU都有异常向量表，这是CPU设计时就设定好的，是硬件决定的。
  • 当异常发生时，CPU会自动动作（PC跳转到异常向量处处理异常，有时伴有一些辅助动作）。
  • 异常向量表是硬件向软件提供的处理异常的支持。

• 异常处理机制（处理过程）

  • 产生异常时，ARM内核

    1. 拷贝 CPSR 到 SPSR_
    2. 设置适当的CPSR位
       • 改变处理器状态进入 ARM 态
       • 改变处理器模式进入相应的异常模式
       • 设置中断禁止位禁止相应中断 (如果需要)
    3. 保存返回地址到 LR_（R14）
    4. 设置 PC 为相应的异常向量

  • 从异常返回时

    1. 从 SPSR_恢复CPSR
    2. 从LR_恢复PC

    注意:这些操作只能在 ARM 态执行。

异常处理中有一些是硬件自动做的，有一些是程序员需要自己做的。需要搞清楚哪些是需要自己做的，才知道如何写代码。
以上说的是CPU设计时提供的异常向量表，一般成为一级向量表。有些CPU为了支持多个中断，还会提供二级中断向量表，处理思路类似于这里说的一级中断向量表。

ARM汇编指令集

• 指令与伪指令（汇编）

  • 指令：指令是CPU机器指令的助记符，经过编译后会得到一串10组成的机器码，可以由CPU读取执行。
  • 伪指令：伪指令本质上不是指令（只是和指令一起写在代码中），它是编译器环境提供的，目的是用来指导编译过程，经过编译后伪指令最终不会生成机器码。

• 两种风格

  • ARM官方的指令风格：指令一般用大写，一般用于Windows的开发环境（ADS，MDK等）如： LDR R0, [R1]。
  • GNU风格：指令一般用小写字母、linux中常用。如：ldr r0, [r1]。

• ARM汇编特点

  1. LDR/STR架构

     • ARM采用RISC架构，CPU本身不能直接读取内存，而需要先将内存中内容加载入CPU中通用寄存器中才能被CPU处理。
     • ldr（load register）指令将内存内容加载入通用寄存器。
     • str（store register）指令将寄存器内容存入内存空间中。
     • ldr/str组合用来实现 ARM CPU和内存数据交换

  2. 八种寻址方式

     • 寄存器寻址 mov r1, r2 r2的值赋值给r1

     • 立即寻址 mov r0, #0xFF00 #后面的数值直接赋值给r0

     • ​ 寄存器移位寻址 mov r0, r1, lsl #3(书本无) r1中的数值左移三位，然后赋值给r0（就是乘于8）

     • 寄存器间接寻址 ldr r1, [r2] 类似于指针，r2中存操作数的地址,[]类似于解引用

     • 基址变址寻址 ldr r1, [r2, #4] r2为基址，r2里面的地址加4，这个地址存的值读到寄存器中

     • 多寄存器寻址 ldmia r1!, {r2-r7, r12} r1中的8个地址读到r2-r7和r12中（类似于数值中的8个元素）

     • 堆栈寻址 stmfd sp!, {r2-r7, lr} 将寄存器列表中的寄存器（R2到R7，lr）存入堆栈

     • 相对寻址 beq flag

       ​ flag:

  3. 指令后缀

     同一指令经常附带不同后缀，变成不同的指令。经常使用的后缀有：

     • B（byte）功能不变，操作长度变为8位。

     • H（half word）功能不变，长度变为16位。

     • ！如果指令地址表达式中不含“！”后缀，则基址寄存器中的地址不会发生变化，指令中含有则变化，变化结果如下：基址寄存器中的值（指令执行后）=指令执行前的值+地址偏移量

       注意：

     • “！”后缀必须紧跟在地址表达式后面，而地址表达式要有明确的地址偏移量。

     • “！”后缀不能用于R15(PC)的后面

     • 当用于单个寄存器后面时，必须确性这个寄存器有隐性的偏移量，eg：“STMDB SP!,{R3,R5,R7}”此时地址基址寄存器SP的隐性偏移量是4。

     • S（signed）功能不变，操作数变为有符号，如 ldr ldrb ldrh ldrsb ldrsh。

     • S（S标志）功能不变，影响CPSR标志位，如 mov和movs movs r0, #0。指令中使用“S”后缀，指令执行后状态寄存器的条件标志位将被刷新；不使用“S”后缀时，指令执行后状态寄存器的条件标志位不会发生变化。此标志经常用于对条件进行测试，例如：是否溢出，是否进位等；根据这些变化，就可以进行一些判断，是否大于，是否相等，从而可能影响指令执行顺序。

     两个 S 用于不同的指令，名称相同，但是在不同的指令结合却有不同的作用

  4. 条件执行后缀

 **注意**

 - 条件后缀是否成立，不是取决于本句代码，而是取决于这句代码之前的代码运行后的结果。
 - 条件后缀决定了本句代码是否被执行，而不会影响上一句和下一句代码是否被执行。

5. 多指令流水线

   • 为增加处理器指令流的速度，ARM使用多级流水线.，下图为3级流水线工作原理示意图。（ARM11为8级），当处理器执行简单的数据处理指令时，流水线使得平均每个时钟周期能完成 1 条指令。但 1 条指令需要 3个时钟周期来完成，因此，有 3 个时钟周期的延时（ latency），但吞吐率（ throughput）是每个周期一条指令。

 **注意**：PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令

• 常用ARM指令

  1. 数据处理指令

     • 数据传输指令 mov mvn
     • 算术指令 add sub rsb adc sbc rsc
     • 逻辑指令 and orr eor bic
     • 比较指令 cmp cmn tst teq
     • 乘法指令 mvl mla umull umlal smull smlal
     • 前导零计数 clz

  2. CPSR访问指令

     • mrs & msr
       1. mrs用来读psr，msr用来写psr
       2. CPSR寄存器比较特殊，需要专门的指令访问，这就是mrs和msr。

  3. 跳转（分支）指令

     • b & bl & bx
       1. b 直接跳转（就没打开算返回）
       2. bl branch and link，跳转前把返回地址放入lr中，以便返回，以便用于函数调用
       3. bx跳转同时切换到ARM模式，一般用于异常处理的跳转。

  4. 访存指令

     • ldr/str & ldm/stm & swp

       1. 单个字/半字/字节访问 ldr/str

       2. 多字批量访问 ldm/stm

          swp r1, r2, [r0] 将 r0 所指向的存储器中的字数据传输到 r1，同时将 r2中的字数据传输到 r0 所指向的内存单元。

          swp r1, r1, [r0] 该指令完成将 r0 所执行的存储器中的子数据与 r1 中的字数据互换。

  5. ARM汇编中的立即数

     ARM指令都是32位，除了指令标记和操作标记外，本身只能附带很少位数的立即数。因此立即数有合法和非法之分。

     • 合法立即数：并不是所有的 32-bit 立即数都是可以使用的合法立即数。只有那些通过将一个 8-bit 的立即数循环右移偶数位可以得到的立即数才可以在指令中使用。（了解即可）

       注意：加载立即数一般采用伪指令 ldr， 编译器会自动处理非法立即数，这里了解即可，

  6. 软中断指令

     • swi（software interrupt）

       软中断指令用来实现操作系统中系统调用（真实使用场景用处不大，仅作学习使用）

  7. 协处理器（CP15）操作指令

     CP15，即通常所说的系统控制协处理器（ System Control Coprocesssor）。 SoC内部另一处理核心，协助主CPU实现某些功能，被主CPU调用执行一定任务。

     ARM 处理器支持 16 个协处理器。在程序执行过程中，每个协处理器忽略属于 ARM 处理器和其他协处理器的指令。当一个协处理器硬件不能执行属于它的协处理器指令时，将产生一个未定义指令异常中断，在该异常中断处理程序中，可以通过软件模拟该硬件操作。（不必深究）

     • mcr & mrc
       1. mrc用于读取CP15中的寄存器
       2. mcr用于写入CP15中的寄存器
     • 使用方法
       • mcr{} p15, , , , , {}
         1. opcode_1：对于cp15永远为0
         2. Rd：ARM的普通寄存器
         3. Crn：cp15的寄存器，合法值是c0～c15
         4. Crm：cp15的寄存器，一般均设为c0
         5. opcode_2：一般省略或为0
     • 举例
       • mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 该指令将协处理器 p15 的寄存器中的数据传送到ARM处理器的寄存器中
       • mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 该指令将ARM处理器寄存器 r0 中的数据传送到协处理器 p15 的寄存器 c1 和 c0 中。

     协处理器的学习要点

     不必深究

     只看一般用法，不详细区分参数细节，否则会陷入很多复杂未知中。关键在于理解，而不在于记住。

  8. 批量数据加载存储指令（LDM/STM与栈的处理）

     • 为什么需要多寄存器访问指令

       ldr/str每周期只能访问4字节内存，如果需要批量读取、写入内存时太慢，解决方案是stm/ldm

     • stm/ldm

       1. ldm(load register mutiple) 加载多个寄存器
       2. stm（store register mutiple） 存储多个寄存器

       举例：

       stmia sp, {r0 - r12}
       将r0存入sp指向的内存处（假设为0x30001000）；然后地址+4（即指向0x30001004），将r1存入该地址；然后地址再+4（指向0x30001008），将r2存入该地址······直到r12内容放（0x3001030），指令完成。
       一个访存周期同时完成13个寄存器的读写

     • 八种后缀

       • ia（increase after）先传输，再地址+4
       • ib（increase before）先地址+4，再传输
       • da（decrease after）先传输，再地址-4
       • db（decrease before）先地址-4，再传输
       • fd（full decrease）满递减堆栈
       • ed（empty decrease）空递减堆栈
       • fa（·······） 满递增堆栈
       • ea（·······）空递增堆栈

     • 四种栈

       • 空栈：栈指针指向空位，每次存入时可以直接存入然后栈指针移动一格；而取出时需要先移动一格才能取出
       • 满栈：栈指针指向栈中最后一格数据，每次存入时需要先移动栈指针一格再存入；取出时可以直接取出，然后再移动栈指针
       • 增栈：栈指针移动时向地址增加的方向移动的栈
       • 减栈：栈指针移动时向地址减小的方向移动的栈

     • 后缀符号的作用

       1. ！的作用

          ldmia r0, {r2 - r3}
          ldmia r0！, {r2 - r3}

          感叹号的作用就是r0的值在ldm过程中发生的增加或者减少最后写回到r0去，也就是说ldm时会改变r0的值。

       2. ^ 的作用

          ldmfd sp!, {r0 - r6, pc}
          ldmfd sp!, {r0 - r6, pc}^

          ^的作用：在目标寄存器中有pc时，会同时将spsr写入到cpsr，一般用于从异常模式返回。

     总结：批量读取或写入内存时要用ldm/stm指令各种后缀以理解为主，不需记忆，最常见的是stmia(空堆栈递增)和stmfd（满堆栈递减）。
     谨记：操作栈时使用相同的后缀(LDM/STM)就不会出错，不管是满栈还是空栈、增栈还是减栈。

ARM汇编伪指令

1. 伪指令的意义

   • 伪指令不是指令，伪指令和指令的根本区别是经过编译后会不会生成机器码。
   • 伪指令的意义在于指导编译过程。
   • 伪指令是和具体的编译器相关的，我们使用gnu工具链，因此学习gnu环境下的汇编伪指令。

2. GUN汇编中的一些符号

   • @ 用来做注释。可以在行首也可以在代码后面同一行直接跟，和C语言中//类似。
   • # 做注释，一般放在行首，表示这一行都是注释而不是代码。
   • :以冒号结尾的是标号。
   • . 点号在gnu汇编中表示当前指令的地址。
   • # 立即数前面要加#或 $，表示这是个立即数。

3. 常用GUN伪指令

   • .global _start @ 给_start外部链接属性
   • .section .text @ 指定当前段为代码段
   • .ascii .byte .short .long .word
   • .quad .float .string @ 定义数据
   • .align 4 @ 以16字节对齐
   • .balignl 16 0xabcdefgh @ 16字节对齐填充
   • .equ @ 类似于C中宏定义

4. 偶尔用到的GUN伪指令

   • .end @标识文件结束
   • .include @ 头文件包含
   • .arm / .code32 @声明以下为arm指令
   • .thumb / .code16 @声明以下为thubm指令

5. 最重要的几个伪指令

   • ldr 大范围的地址加载指令
   • adr 小范围的地址加载指令
   • adrl 中等范围的地址加载指令
   • nop 空操作

   adr与ldr

   • adr编译时会被1条sub或add指令替代，而ldr编译时会被一条mov指令替代或者文字池方式处理；
   • adr总是以PC为基准来表示地址，因此指令本身和运行地址有关，可以用来检测程序当前的运行地址
   • 在哪里
   • ldr加载的地址和链接时给定的地址有关，由链接脚本决定。

   ARM中有一个ldr指令，还有一个ldr伪指令

   一般都使用ldr伪指令而不用ldr指令