ARM体系架构—ARMv7-A指令集：数据处理指令

一、ARMv7-A指令集

ARMv7-A架构是32位处理器架构。也是load/store架构，即数据处理指令操作在通用寄存器完成，只有load/store指令可以访问内存。此外ARM指令集还有一大特点，就是ARM指令集几乎所有的指令都可以增加条件码。
ARM指令集可以归为一下四类：

1. 数据处理操作（ALU操作例如ADD）；
2. 内存操作（load/store）；
3. 控制流（循环，跳转，条件码等）；
4. 系统（协处理器，debug，模式切换等等）。

本文重点介绍数据处理指令。

二、ARMv7-A条件码

ARM指令集的一个特性是几乎所有的指令都可以增加条件码（绝大多数其他处理器架构中，只有跳转指令可以加条件码），以利用CPSR（Current Program Status Register）寄存器中的状态位。在简单的if/then/else结构中，这一特性对于避免条件分支或复合比较非常有用。
举例说明条件码的好处(两个值找到较小的)：

if (a < b)
	n = a;
else
    n = b;

无条件码汇编：

有条件码汇编：

MOV是算术运算指令，功能是将第二操作数传送到目标寄存器。
其后增加了条件码GE和LT，GE（greater than or equal）表示CMP比较结果是大于等于，LT（less than）表示CMP比较结果是小于。因而三条指令实现了相同的功能。

ARM指令集中条件码如下图所示。

条件指令码中(Z)ero, (N)egative, (C)arry, o(V)erflow状态位是CPSR寄存器中的4个bit位，如下图所示，[31:27]4个bit分别对应N,Z,C,V，其含义如下表。关于CPSR的说明可以参看 《ARM体系架构—ARMv7-A处理器模式及寄存器》.

Field	作用
N	ALU返回运算结果是否为负数
Z	ALU返回运算结果是否为0
C	ALU运算是否发生进位
V	ALU运算是否发生溢出

三、ARMv7-A数据处理指令

ARM core只能在寄存器上执行数据处理，而不能直接在内存上执行。
数据操作指令一般由一个目标寄存器和两个源操作数组成，所有ARM数据处理指令都可以加后缀（Suffix），并影响状态标志（CPSR）。其基本格式如下：
$$Operation\{cond\}\{S\}Rd,Rn,Operand2$$

• Operation : 指令助记符；
• cond： 执行条件；
• S：后缀，是否影响CPSR寄存器状态位；
• Rd：目标寄存器；
• Rn：第一个操作数寄存器；
• Operand2：第二个操作数；
• {}：可选。

数据操作指令可分为如下两类：

1. 算术运算和逻辑运算指令；
2. 比较指令。

3.1算术运算和逻辑运算指令

算术运算和逻辑运算指令增加后缀S可以影响CPSR寄存器的状态位。

• MOV
  将立即数或寄存器值（Operand2）传送到目标寄存器（Rd）。
• MVN
  将立即数或寄存器值（Operand2）按位取反传送到目标寄存器（Rd）。
• ADD
  将立即数或寄存器值（Operand2）与第一操作数寄存器（Rn）相加，结果保存到目标寄存器（Rd）。
• ADC
  将立即数或寄存器值（Operand2）与第一操作数寄存器（Rn）相加，再加上CPSR中C标志位，结果保存到目标寄存器（Rd）。
  ADC实现64位加法（结果存放到R1，R0）：

C:
int64 a = 0x1FFFFFFFF;
int64 b = 0x100000001;
int64 c = a + b;
ASM:
MOV   R0, 0xFFFFFFFF ;R0存放变量a低32bit数据
MOV   R2, 0x00000001 ;R2存放变量b低32bit数据
MOV   R1, 0x1        ;R1存放变量a高32bit数据
MOV   R3, 0x1        ;R3存放变量b高32bit数据
ADDS  R0, R0, R2     ;R0 = R0 + R2, 发生进位C = 1, 计算结果低32存放到R0
ADC   R1,R1,R3       ;R1 = R1 + R3 + C,  计算结果高32存放到R1

• SUB
  第一操作数寄存器（Rn）减去立即数或寄存器值（Operand2），结果保存到目标寄存器（Rd）。
• SBC
  第一操作数寄存器（Rn）减去立即数或寄存器值（Operand2），再减去CPSR中C标志位取反，结果保存到目标寄存器（Rd）。
  SBC实现64位加法（结果存放到R1，R0）：

C:
int64 a = 0x100000000;
int64 b = 0x000000001;
int64 c = a - b;
ASM:
MOV   R0, 0x0        ;R0存放变量a低32bit数据
MOV   R2, 0x1        ;R2存放变量b低32bit数据
MOV   R1, 0x1        ;R1存放变量a高32bit数据
MOV   R3, 0x0        ;R3存放变量b高32bit数据
SUBS  R0, R0, R2     ;R0 = R0 - R2, 发生借位C = 0, 计算结果低32存放到R0
SBC   R1,R1,R3       ;R1 = R1 - R3 - !C,  计算结果高32存放到R1

• RSB
  立即数或寄存器值（Operand2）减去第一操作数寄存器（Rn），结果保存到目标寄存器（Rd）。
  显然等效于SUB R0,#100,R1，但是SUB这条指令是不合法的，因而引入RSB指令。
• RSC
  立即数或寄存器值（Operand2）减去第一操作数寄存器（Rn），再减去CPSR中C标志位取反，结果保存到目标寄存器（Rd）。
• AND
  立即数或寄存器值（Operand2）和第一操作数寄存器（Rn）按位“与”操作，结果保存到目标寄存器（Rd）。
• ORR
  立即数或寄存器值（Operand2）和第一操作数寄存器（Rn）按位“或”操作，结果保存到目标寄存器（Rd）。
• EOR
  立即数或寄存器值（Operand2）和第一操作数寄存器（Rn）按位“异或”操作，结果保存到目标寄存器（Rd）。
• BIC
  第一操作数寄存器（Rn）和立即数或寄存器值（Operand2）的反码按位“与”操作，结果保存到目标寄存器（Rd）。

3.2比较指令

比较指令会影响CPSR寄存器的状态位。

• CMP
  第一操作数寄存器（Rn）减去立即数或寄存器值（Operand2）的值，根据结果更新CPSR寄存器的标志位。
• CMN
  第一操作数寄存器（Rn）加上立即数或寄存器值（Operand2）的值，根据结果更新CPSR寄存器的标志位。
• TST
  第一操作数寄存器（Rn）和立即数或寄存器值（Operand2）的值按位做“与”操作，根据结果更新CPSR寄存器的标志位。
• TEQ
  第一操作数寄存器（Rn）和立即数或寄存器值（Operand2）的值按位做“异或”操作，根据结果更新CPSR寄存器的标志位。

3.3第二操作数

ARM数据处理指令基本格式中第一操作数是寄存器，第二操作数Operand2可以是寄存器（Rm），也可以是立即数（#x），也可以是寄存器移位（ “Rm, shift #x” or “Rm, shift Rs”）。

3.3.1立即数

ARM指令集第二操作数为立即数时，ARM指令编码如下图所示。

• [31:28]cond ：指令条件码（EQ,NE等）；
• [24:20]op：指令操作码（ADD,SUB等）；
• [25]：二进制1表示立即数；
• [19:16]Rn：目标寄存器；
• [11:0]：立即数。

由该指令编码可以看出ARMv7指令只留给立即数12bit空间。12bit立即数的范围是[-2048,2047]，为了使指令中的立即数范围更广，ARM将12bit立即数做了划分：[7:0]8bit是立即数（immediate），[11:8]4bit是循环位（rotation）。如下图所示，a-h即表示立即数，rotation即表示循环位。立即数的范围是[0,0xFF]，循环位的范围是[0,15]。

循环位值表示将立即数循环右移偶数位。具体移位方式如下图所示，图中const一列以二进制表示。
当rotation=0时，表示立即数不移位。
当rotation=1时，表示立即循环右移两位。
当rotation=N时，表示立即循环右移2*N位（N<16）。

3.3.2寄存器移位

第二操作数除了可以是立即数外，还可以是寄存器（Rm），寄存器移位（ “Rm, shift #x” or “Rm, shift Rs”）。
寄存器方式不再介绍，本节介绍寄存器移位方式。
寄存器移位的方式有五种：

1. LSL：逻辑左移；
2. LSR：逻辑右移；
3. ASR：算术右移；
4. ROR：循环右移；
5. RRX：带扩展循环右移。

第二操作数举例：

3.4乘法指令

需要注意的是ARM乘法指令集，不能操作立即数，只能对寄存器中的值进程操作。
ARM乘法指令如下图所示。

• MLA：32位乘加指令。将寄存器Rm和Rn相乘，再加上第三个操作数寄存器Ra，将结果的低32位保存到Rd；
• MLS：32位乘减指令。将寄存器Rm和Rn相乘，再由第三个操作数寄存器Ra将去乘积，将结果的低32位保存到Rd；
• MUL：32位乘法指令。将寄存器Rm和Rn相乘，将结果的低32位保存到Rd；
• SMLAL：64位有符号乘加指令。有符号32位数Rn和Rm乘积，结果与RdHi和RdLo相加，低32位保存到RdLo，高32位保存到RdHi；
• SMULL：64位有符号乘法指令。有符号32位数Rn和Rm乘积，结果低32位保存到RdLo，高32位保存到RdHi；
• UMLAL：64位无符号乘加指令。32位数Rn和Rm做无符号乘积，结果与RdHi和RdLo相加，低32位保存到RdLo，高32位保存到RdHi；
• UMULL：64位无符号乘法指令。32位数Rn和Rm做无符号乘积，结果低32位保存到RdLo，高32位保存到RdHi；

除了以上常见的乘法指令外，ARM提供了用于保存乘法结果高32的指令：SMMUL, SMMLA and SMMLS。

• SMMUL：32位高位有效有符号乘法指令。有符号32位数Rn和Rm乘积，提取结果中的高32位保存到目标寄存器Rd；
• SMMLA ：32位高位有效有符号乘减指令。有符号32位数Rn和Rm乘积，再减去左移32位后的第三个操作数寄存器，提取结果中的高32位保存到目标寄存器Rd。