大工13春《嵌入式原理与开发》辅导资料七
大工13春《嵌入式原理与开发》辅导资料七主 题：第三章基于ARM架构的嵌入式微处理器：ARM微处理器的指令系统
学习时间：5月13日-5月19日
内 容：
第三章基于ARM的处理器体系结构基于ARM架构的嵌入式微处理器
这周我们将学习第3章中的第2节，这部分重点介绍ARM微处理器的指令系统
，下面整理出的理念框架供同学们学习。
第三章 基于ARM的处理器体系结构
3.2 ARM微处理器的指令系统
名词解释：
机器指令
机器指令被处理器直接执行，伪指令和宏指令不能。机器指令包括ARM指令集和Thumb指令集。
伪指令
伪指令是在源程序汇编期间，由汇编编译器处理。其作用是为汇编程序完成准备工作。
宏指令
宏指令在程序中用于调用宏，宏是一段独立的程序代码；在程序汇编时，对宏调用进行展开，用宏体代替宏指令。
1.ARM指令系统概述
(1)指令系统概念
指令：是规定计算机进行某种操作的命令。
指令系统：计算机能够执行的各种指令的集合。
(2)ARM指令的特点
所有指令都是32位的。
大多数指令都在单周期内完成。
所有指令都可以条件执行。
ARM指令为load/store类型。
基本指令仅36条，分成五类。
有7种寻址方式。
指令集可以通过协处理器扩展。
(3)ARM指令的格式
ARM指令基本的语法格式为：
<Opcode> {<cond>}{s} <Rd>, <Rn> {, <Operand2>}
Opcode：指令操作码。
cond：指令的条件码。
S：决定指令的操作是否影响cpsr的值。
Rd：目标寄存器编码。
Rn：包含第一个操作数的寄存器编码。
Operand2：第2操作数
(4)指令的条件码
条件码的位数和位置：每条ARM指令包含4位条件码域<cond>,它占用指令编码的最高四位。
条件码的表示：条件编码共24＝16种，其中，15种用于指令的条件码。每种条件码用2个英文缩写字符表示。（见P47 表2-6）
带条件指令的执行：ARM处理器根据指令的执行条件是否满足，决定当前指令是否执行。
只有在cpsr中的条件标志位满足指定的条件时，指令才会被执行。不符合条件的代码依然占用一个时钟周期（相当于一个NOP指令）。
条件码的书写方法：条件码的位置在指令助记符的后面（因此也称为条件后缀）。
例如： MOVEQR0,R1
2.ARM 指令总体介绍
ARM体系结构支持ARM的汇编语言与C与C++的混合编程。一般的在一个完整的程序设计的中，除了初始化部分用汇编语言完成外，其大部分的编程任务一般都用C或C++完成。
寻址方式：立即数寻址、寄存器寻址、寄存器移位寻址、寄存器间接寻址、基址变址寻址、相对寻址、多寄存器寻址、块拷贝寻址、堆栈寻址。
3.2.1 ARM指令的寻址方式
目前ARM指令集支持如下几种常见的寻址方式。
1.立即寻址（立即数寻址）
例如ADDR0，R0，#1 ；R0←R0+1
2.寄存器寻址
例如ADDR0，R1，R2 ；R0←R1+R2
3.寄存器间接寻址
例如ADDR0，R1， ；R0←R1+
4.基址变址寻址
例如LDRR0， ；R0←
5.多寄存器寻址
一次可以传送几个寄存器的值。允许一条指令传送16个寄存器的任何子集（或所有16个寄存器）。例如:
LDMIA R1，{R0，R2，R5}；R0 ← R2 ← R5 ←32位字对准
6.堆栈寻址ARM微处理器支持4种类型的堆栈工作方式，即
满递增堆栈：堆栈指针指向最后压入的数据，且由低地址向高地址生成。
满递减堆栈：堆栈指针指向最后压入的数据，且由高地址向低地址生成。
空递增堆栈：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。
空递减堆栈：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。
7、相对寻址
与基址变址寻址方式类似，相对寻址以程序计数器PC的当前值为基地址，指令种地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。
3.2.2 ARM微处理器的指令集概述
大量的寄存器，都可用于多种用途；
Load-Store体系结构即加载/存储型，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，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。
3.2.2 ARM微处理器的指令集概述
大量的寄存器，都可用于多种用途；
Load-Store体系结构即加载/存储型，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，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。
2.ARM指令集的分类
(1)数据处理指令：完成寄存器的数据的算术和逻辑操作,在执行中需要两个操作数，产生单个结果。这类指令只能使用和改变寄存器中的值，每一个操作数寄存器和结果寄存器都在指令中独立的指定，即使用3地址模式。
例：ADD R0，R1，R2；R0=R1+R2
算术操作：ADD、ADC、SUB、SBC、RSB（逆向减法）、RSC、MUL、MAL（32位乘加）、SMULL（有符号64位乘法）、SMLAL、UMULL、UMLAL。 如RSB R0，R1，R2 ；R0=R2-R1
按位逻辑操作：AND、ORR、EOR、BIC（清除位操作）
比较操作：CMP、CMN、TST（按位与）、TEQ（按位异或）
寄存器移位操作：LSL、LSR（逻辑右移）、ASL（算术左移）、ASR、ROR（循环右移）、RRX（带扩展循环右移）。
例： ADDR0，R2，R3，LSR #1； R0=R2+（R3〈〈1）将R3中的内容左移1位再与R2相加送入R0。
(2)数据传送指令
这类指令把存储器中的值拷贝到寄存器中（Load）或把寄存器的值拷贝到存储器中（Store）
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。常用的指令如下：LDR（字加载）、LDRB（字节加载）、LDRH（半字加载）、STR（字节存储）、STRH（半字存储）。
批量数据加载/存储指令：批量加载可以一次在一片连续的存储器中的数据传送到多个存储器，批量存储则完成相反的操作。常用的加载/存储指令如下： LDM（批量数据加载）、STM（批量数据存储）
(3)数据交换指令
数据交换指令：在存储器和寄存器之间交换数据。
SWP（字数据交换）和SWPB（字节数据交换）
程序状态寄存器访问指令;
MRS程序状态寄存器到通用寄存器的数据传送;
MSR通用寄存器到程序状态寄存器的数据传送
(4)移位指令
移位指令：ARM微处理器内嵌的桶型移位寄存器，支持数据的各种移位操作，一位操作在ARM指令集中部作为单独的指令使用，它只能作为指令格式中的一个字段，在汇编语言中表示为指令的选项。具体为6种类型。
LSL（逻辑左移）、ASL(算术左移）、LSR（逻辑右移）、ASR（算术右移）、ROR（循环右移）、RRX（带扩展的循环右移）。
例如：MOVR0，R1，LSL#2；将R1中的内容左移两位后传送到R0中
(5)控制流指令
控制流指令：一般指令在执行时使用存储于连续的存储器地址中的指令。控制流指令使执行切换到不同的地址。切换是永久的或保存返回地址以恢复原来的执行顺序，或者陷入系统代码。
如跳转指令:在ARM程序中有两种方法可以实现程序流程的跳转。使用专门的跳转指令和直接向程序计数器PC写入跳转地址。如B Lable；无条件转移到标号地址。
协处理器指令：ARM微处理器可支持多个协处理器。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寄存器之间传送数据。具体包括5种指令:
CDP（操作）、LDC（数据加载）、STC:（数据存储）、MCR（处理器和协处理器寄存器的数据传送）、MRC（处理器和协处理器寄存器的数据传送）。
异常产生指令，BKPT（断点中断）。
3.Thumb指令及应用
Thumb是ARM体系结构的扩展。从标准32位ARM指令集抽出来的36条指令格式，重新编成16位的操作码。带来很高的代码密度。在运行时，这些16位的Thumb指令又由处理器解压成32位的ARM指令。
ARM体系结构除了支持执行效率很高的32位ARM指令集以外，同时支持16位的Thumb指令集。所有的Thumb指令都有对应的ARM指令，而且Thumb指令的编码模型也对应于ARM的编码模型，在应用程序的编写过程中，只要遵循一定调用的规则，Thumb子程序就可以相互调用。
当处理器执行ARM程序段时，具体存在有处于ARM工作状态和处于Thumb工作状态。 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，舍弃了ARM指令集的一些特性。如大多数的Thumb指令是无条件执行的，而几乎所有的ARM指令都是有条件的。 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。
显然若对系统的性能有较高要求时，应采用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的要求，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，充分发挥其各自的特点，会取得更好的效果。 Thumb指令集可以看作是ARM指令集的一个子集，Thumb指令长度为16位，但Thumb指令集中的数据处理指令的操作数仍然是32位的，指令寻址地址也是32位的。
Thumb指令集由四大类构成
4.ARM源程序文件格式
5.汇编语言上机过程
用ARM汇编语言编写的源程序，要使之运行必须经过以下几个步骤：
6.ARM的开发工具SDT2.5和ADS1.2
SDT的英文全称是ARM Software DevelopmentKit ，是ARM公司为方便用户在ARM芯片上进行应用软件开发而推出的一整套集成开发工具包。目前的最新版本是2.5.2，但从版本2.5.1开始，ARM公司宣布推出一套新的集成开发工具ARM ADS ，取而代之。
ARM SDT支持最高到ARM9的所有ARM处理器芯片的开发，包括Strong ARM。
ADS1.2开发环境
ADS1.2 （ARM Developer Suite）提供了创建ARM架构应用系统的完整的软件开发方案，是ARM公司新近推出的一套集成开发环境。用户使用ADS编辑、编译和调试C、C++ 以及汇编程序。ADS开发环境包括：
①代码生成工具（Code Generation Tools）
代码生成工具包括ARM和Thumb指令集的C和嵌入式C++编译器、汇编器和链接器。这些编辑器是工业中针对ARM处理器开发的，能获得比其他开发环境更紧凑的代码密度，以及更小的映像文件。
②Windows平台下的集成开发环境（Code Warrior IDE） ADS提供了强大的Code Warrior IDE 来整合ARM 开发工具，提供了图形接口的项目管理器，极大地方便了用户管理复杂的工程文件，并适合通过网络进行小组开发。同时，Code Warrior IDE 还提供了对第三方调试的接口支持。
③强大的调试器（Debugger）
ADS包括以下2个调试器：
AXD（ARM eXtended Debugger）。AXD提供了一个专业调试软件所能提供的所有调试功能，包括简单和复杂的断点功能、观察点、支持软件和硬件目标以及便捷的图形界面接口等。 ARMSD（ARM Symbolic Debugger）。ARMSD是一个命令行方式调试器，提供了所有的基本调试功能，包括断点、观察点和软硬件目标的支持等。
④指令集模拟器（Instruction Set Simulator）
ADS中的指令集模拟器提供了对ARM和Thumb内核处理器的精确的模拟，允许用户在硬件条件满足前开发和测评（Benchmark）代码。
⑤基于ROM的调试工具——ARM Firmware Suit
ARM Firmware Suit 帮助用户在Integerator系统和其他ARM内核系统上快速建立应用程序和操作系统的整合。
⑥ARM应用库
ADS中的应用库已经针对ARM和Thumb内核处理器进行了优化，并且提供了不包含在标准C、C++库中的功能函数及代码，给用户的开发提供了方便。
支持各种ARM核和处理器：ARM9E、ARM10、Jazelle、StrongARM和Intel Xscale；完整的在线文档；支持实时调试和跟踪。
代码生成工具、Code Warrior IDE、调试器、指令集模拟器、ARM Firmware Suit和ARM应用库是构成ADS开发环境的主要独立模块，分别实现不同的调试开发功能。
7.汇编语言与C/C++的混合编程
通常有以下几种方式：
在C/C++代码中嵌入汇编指令；
在汇编程序和C/C++的程序之间进行变量的互访；
汇编程序和C/C++程序之间的相互调用。
在以上的几种混合编程技术中，必须遵守一定的调用规则，如物理寄存器的使用、参数的传递等。在实际的使用中，采用较多的方式是程序初始化部分使用汇编语言完成，然后用C/C++完成主要的编程任务，程序在执行时首先完成初始化过程，然后跳转到C/C++程序代码中，汇编程序和C/C++程序之间一般没有参数传递，也没有频繁的相互调用，因此这个程序结构显得相对简单和容易理解。
习题
1. 机器指令被处理器直接执行，伪指令和宏指令不能。机器指令包括什么？
ARM指令集和Thumb指令集。
2，ARM指令的特点
所有指令都是32位的。
大多数指令都在单周期内完成。
所有指令都可以条件执行。
ARM指令为load/store类型。
基本指令仅36条，分成五类。
有7种寻址方式。
指令集可以通过协处理器扩展。
3，在汇编语言中表示为指令的选项。具体分为哪为6种类型？
LSL（逻辑左移）、ASL(算术左移）、LSR（逻辑右移）、ASR（算术右移）、ROR（循环右移）、RRX（带扩展的循环右移）。
4，Thumb指令集由哪四大类构成？
数据处理指令；跳转指令；Load/Store指令；软件中断指令。
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