入门级ARM汇编指令

无论是体系结构还是指令集,大家或多或少都应该对X86汇编有些了解,而对于嵌入式领域已被广泛采用的ARM 处理器,了解的可能并不多。如果你有兴趣从事嵌入式方面的开发,那么了解一些RISC 体系结构和ARM汇编的知识还是有必要的。这里,我们找出了这两种体系结构最明显的不同之处,并对此进行介绍,让大家对于RISC体系结构的汇编有一个基本的了解。首先,我们就来看一看基于RISC的ARM的体系结构。

基于RISC 的ARM CPU
ARM是一种RISC体系结构的处理器芯片。和传统的CISC体系结构不同,RISC 有以下的几个特点：
◆ 简洁的指令集——为了保证CPU可以在高时钟频率下单周期执行指令,RISC指令集只提供很有限的操作（例如add,sub,mul等）,而复杂的操作都需要由这些简单的指令来组合进行模拟。并且,每一条指令不仅执行时间固定,其指令长度也是固定的,这样,在译码阶段就可以对下一条指令进行预取。
◆ Load-Store 结构——这个应该是RISC 设计中比较有特点的一部分。在RISC 中,CPU并不会对内存中的数据进行操作,所有的计算都要求在寄存器中完成。而寄存器和内存的通信则由单独的指令来完成。而在CSIC中,CPU是可以直接对内存进行操作的,这也是一个比较特别的地方。
◆ 更多的寄存器——和CISC 相比,基于RISC的处理器有更多的通用寄存器可以使用,且每个寄存器都可以进行数据存储或者寻址。
当然,作为RISC 领域最成功的处理器,ARM也遵从上面的特点。这里,我们不妨来看一看在user 模式下,ARM处理器的体系结构,这对于我们了解其汇编语言是有好处的。而其它模式下只是有一些寄存器分组略有不同,大家可以在ARM的手册上查到。这里要说明的是,尽管ARM处理器也支持16位指令,不过在下文中,我们都假定ARM处理器在32 位模式下工作。


图1：user模式下ARM处理器体系结构
从图1中我们看到,在user 模式下,ARM CPU 有16个数据寄存器,被命名为r0~r15(这个要比x86的多一些)。r13~r15有特殊用途,其中：
◆ r13 - 指向当前栈顶,相当于x86的esp,这个东西在汇编指令中要用sp 表示
◆ r14 - 称作链接寄存器,指向函数的返回地址。用lr表示,这和x86将返回地址保存在栈中是不同的
◆ r15 - 类似于x86的eip,其值等于当前正在执行的指令的地址+8(因为在取址和执行之间多了一个译码的阶段),这个用pc表示
另外,ARM处理器还有一个名为cspr的寄存器,用来监视和控制内部操作,这点和x86 的状态寄存器是类似的。具体的内容就用到再说了。

ARM 指令集
ARM处理器可以支持3种指令集——ARM,Thumb和Jazelle。
采用那种指令集,由cspr中的标志位来决定。大体说来：
◆ ARM——这是ARM自身的32 位指令集
◆ Thumb ——这是一个全16 位的指令集,在16 位外部数据总线宽度下,这个指令集的效率要比32 位的ARM指令高一些。
◆ Jazelle ——这是一个8位指令集,用来加速Java字节码的执行
整个ARM指令集由数据处理指令、分支指令、Load-Store指令、程序中断指令和一些系统控制指令构成,除了Load-Store指令外,其他部分和x86指令集是比较类似的。但和x86相比,ARM指令最显著的特点它们都是32-bit 定长的。另外,由于arm是基于RISC指令集的,所以CPU只处理在寄存器中的数据并通过独立的load-store指令在内存和寄存器之间进行数据的传递。
在使用方面,ARM指令的格式也要比Intel的复杂些。一般说来,一条ARM指令有如下的形式：
{S} [Rd], [Rn], [Rm]
其中：
* {S} —— 加上这个后缀的指令会更新cpsr 寄存器
* [Rd] —— 目的寄存器
* [Rn]/[Rm] —— 源寄存器
一般来说,arm 指令有3个操作数,其中Rm寄存器在执行指令前可以进入桶形移位器进行移位操作,而Rn则会直接进入ALU 单元。如果一条arm 指令只有2 个操作数,那么源寄存器按照Rm 来处理。例如,一条加法指令：
add r0, r1, #1
就会把r1+1的结果存放到r0中。
在熟悉了基本的汇编格式后,读者就可以自行去查询基本的ARM汇编指令了,下面,我们找出ARM中比较有特色部分——Load-Store指令结构,它是CPU 和内存进行通信的一个重要媒介。

Load-Store 指令体系
由于ARM CPU并不直接处理内存中的数据,这个指令体系就担起了在寄存器和内存之间交换数据的重要媒介。它要比x86 的内存访问机制复杂一些。该指令体系分成3 类：
◆ 单寄存器传输(这是与x86 最为相像的)
◆ 多寄存器传输
◆ 交换指令

单寄存器传输
先看第一个,很简单：把单一的数据传入(LDR) 或传出(STR)寄存器,对内存的访问可以是DWORD(32-bit), WORD(16-bit)和BYTE(8-bit)。指令的格式如下：
DWORD:
Rd, addressing1
WORD:
H Rd, addressing2 无符号版
SH Rd, addressing2 有符号版
BYTE:
B Rd, addressing1 无符号版
SB Rd, addressing2 有符号版
addressing1 和addressing2 的分类下面再说,现在理解成某种寻址方式就可以了。
在单寄存器传输方面,还有以下三种变址模式,他们是：
◆ preindex
这种变址方式和x86的寻址机制是很类似的,先对寄存器进行运算,然后寻址,但是在寻之后,基址寄存器的内容并不发生改变,例如:
ldr r0, [r1, #4]
的含义就是把r1+4 这个地址处的DOWRD 加载到r0,而寻址后,r1 的内容并不改变。
◆ preindex with writeback
这种变址方式有点类似于++i的含义,寻址前先对基地址寄存器进行运算,然后寻址. 其基本的语法是在寻址符[]后面加上一个"!" 来表示.例如:
ldr r0, [r1, #4]!
就可以分解成：
add r1, r1, #4
ldr r0, [r1, #0]
◆ postindex
自然这种变址方式和i++的方式就很类似了,先利用基址寄存器进行寻址,然后对基址寄存器进行运算,其基本语法是把offset 部分放到[]外面,例如:
ldr r0, [r1], #4
就可以分解成：
ldr r0, [r1, #0]
add r1, r1, #4
如果你还记得x86 的SIB 操作的话,那么你一定想ARM是否也有,答案是有也没有。在ss上面提到的addressing1 和addressing2的区别就是比例寄存器的使用,addressing1可以使用[base, scale, 桶形移位器]来实现SB 的效果,或者通过[base,offset](这里的offset 可以是立即数或者寄存器)来实现SI 的效果,而addressing2则只能用后者了。于是每一种变址方式最多可以有3 种寻址方式,这样一来,最多可以有9种用来寻址的指令形式。例如:
ldr r0, [r1, r2, LSR #0x04]!
ldr r0, [r1, -#0x04]
ldr r0, [r1], LSR #0x04
每样找了一种,大概就是这个意思。到此,单寄存器传输就结束了,掌握这些足够应付差事了。下面来看看多寄存器传输吧。