如何編寫ARM指令集中的基本匯編指令

了解用于編程ARM內(nèi)核的ARM指令集中使用的一些基本指令。
本文旨在幫助您了解有關(guān)ARM核心編程的基本匯編指令。
我們將從上一篇有關(guān)ARM寄存器文件的文章中摘錄-請?jiān)诶^續(xù)之前考慮一下該信息，因?yàn)槲覀儗⒃谙旅娴恼f明中引用寄存器符號和寄存器標(biāo)志。
下一篇文章將使用此信息來編程使用32位ARM內(nèi)核的Raspberry Pi。在本文中，我們將重點(diǎn)放在32位ARMv7指令和32位寄存器上。
注意：運(yùn)行Raspbian的Raspberry Pi的更高版本使用64位ARMv8處理器，但與舊版v7一樣，以32位模式運(yùn)行。我們可能會在以后的文章中介紹ARMv8。

機(jī)器碼

指令由處理器使用-讓我們看一下指令所代表的機(jī)器代碼。由于我們要講的大部分指令都是關(guān)于數(shù)據(jù)操作的，因此我從ARMV7手冊中獲取了數(shù)據(jù)處理指令。

圖1.ARM數(shù)據(jù)處理指令

圖1顯示了ARM數(shù)據(jù)處理指令中的32位；每個(gè)位都有特定的用途，可以單獨(dú)使用，也可以作為一組使用。

條件字段為4位寬，因?yàn)榇蠹s有十五個(gè)條件代碼。操作碼為4位寬，位于立即信號和條件設(shè)置標(biāo)志之間，該信號指示操作數(shù)2保持一個(gè)立即值，而條件設(shè)置標(biāo)志可用于在操作期間更新狀態(tài)寄存器（稍后會詳細(xì)介紹）。注意，由操作碼確定處理器將執(zhí)行的操作（例如加法，減法或異或）。

當(dāng)您瀏覽下面的指令時(shí)，我們將參考圖1并嘗試查看匯編指令如何被編碼為二進(jìn)制。并且不要害怕深入閱讀ARM手冊以獲取更多信息。

如何閱讀匯編說明：助記符和操作數(shù)

每條指令均以代表操作的助記符開頭。助記符后面是將要操作的操作數(shù)。這些通常是目標(biāo)操作數(shù)和源操作數(shù)，如下所示。

MNEMONIC DEST, SRC1, SRC2

ADD指令（在下面的部分中介紹）將R2加到R1并將結(jié)果放入寄存器R0中（有關(guān)這些符號的說明，請參見上一篇文章）。這是讀取匯編指令的典型方法。將R2加到R1并將其（結(jié)果）放入R0。將在ADD指令旁邊顯示將在處理器上執(zhí)行的等效機(jī)器代碼。

“條件”字段包含始終執(zhí)行的“ 1110”。這些位在使用附加到ADD操作的條件后綴時(shí)起作用。下一個(gè)字段未使用且設(shè)置為零。“ I”字段為零，因?yàn)椤?Op2”是一個(gè)寄存器，而不是立即數(shù)?！?S”字段為零，因?yàn)槲覀儧]有將S附加到ADD操作上，也就是說，我們不希望該指令更新狀態(tài)寄存器標(biāo)志（如上所述的N，Z，C和V）。

如果您再次參考圖1，請注意要添加的操作碼。0100b。這告訴處理器設(shè)置ADD操作的數(shù)據(jù)路徑。最后三個(gè)字段是R1（0001b），R0（0000b）和R2（….0010b）。

Cond I OpCd SRn Rd Op2

ADD R0,R1, R2 @ 1110|00|0|0100|0|0001|0000|000000000010

指令中的操作數(shù)通常是寄存器，但它們也可以是內(nèi)存地址或立即數(shù)。立即值是要使用的確切數(shù)字。這些前綴有＃符號。例如，我們可以使用立即數(shù)42代替上面的R2。該指令如下所示：

Cond I OpCd SRn Rd Op2

ADDS R4, R6, #42 @ 1110|00|1|0100|1|0110|0100|000000101010

該指令將42加到R6并將結(jié)果放入R4。這次圍繞“ I”設(shè)置為1的原因是，我們將立即數(shù)用于操作數(shù)2。操作碼保持不變，因?yàn)槲覀內(nèi)栽谶M(jìn)行加法運(yùn)算。請注意，“ S”字段為1；因此，我們希望此ADD操作在執(zhí)行期間更新狀態(tài)寄存器標(biāo)志。

下一條指令可以使用“條件”字段檢查狀態(tài)標(biāo)志，并根據(jù)結(jié)果有條件地執(zhí)行。'Rn'是0110b，代表R6，而'Rd'是0100b對于R4。“ Op2”中的立即數(shù)是數(shù)字42的12位二進(jìn)制表示形式。本節(jié)的其余部分列出了最基本的ARM指令的子集，并提供了簡短說明和示例。

數(shù)據(jù)處理說明以下說明處理數(shù)據(jù)。這可以是執(zhí)行數(shù)學(xué)功能的算術(shù)運(yùn)算，比較運(yùn)算或數(shù)據(jù)移動。

加法（ADD）加法（ADD）將R2加到R1并將結(jié)果放入R0。帶進(jìn)位加法（ADC）將R2與進(jìn)位標(biāo)志一起加到R1。在處理大于單個(gè)32位字的數(shù)字時(shí)使用此功能。

ADD R0, R1, R2
ADC R0, R1, R2

減法（SUB）減法（SUB）從R1減去R2并將結(jié)果放入R0。進(jìn)位減法（SBC）從R1中減去R2，如果清除了進(jìn)位標(biāo)志，則從結(jié)果中減去1。這等效于算術(shù)借用，并確保多字減法正確工作。

SUB R0，R1，R2
SBC R0，R1，R2

比較（CMP）和比較負(fù)數(shù)（CMN）比較（CMP）和比較負(fù)數(shù)（CMN）比較兩個(gè)操作數(shù)。CMP從R0中減去R1，CMN將R2與R1相加，然后根據(jù)加法或減法的結(jié)果更新狀態(tài)標(biāo)志。

CMP R0，R1
CMN R1，R2

移動（MOV）“移動（MOV）”操作確實(shí)像聽起來那樣。它將數(shù)據(jù)從一個(gè)地方移到另一個(gè)地方。下面，將R1復(fù)制到R0。第二行將立即數(shù)8放入R0。

MOV R0，R1
MOV R0，＃8

移負(fù)（MVN）負(fù)向移動（MVN）執(zhí)行類似的操作，但先對數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充（取反）。當(dāng)執(zhí)行帶有負(fù)數(shù)的操作時(shí)，尤其是使用二進(jìn)制補(bǔ)碼時(shí)，這很有用。以下指令將NOT 8（通常稱為–9）放入R0。將一個(gè)加到該結(jié)果中，您便完成了兩個(gè)的補(bǔ)數(shù)并獲得了-8。

MVN R0，＃8

AND執(zhí)行R2和R1的按位與運(yùn)算，并將結(jié)果放入R0?？梢允褂昧⒓磾?shù)代替R2。

AND R0，R1，R2

ORR和EORORR和EOR分別執(zhí)行R2和R1的按位OR和XOR。

ORR R0，R1，R2
EOR R0，R1，R2

位清除（BIC）位清除（BIC）對R2和R1執(zhí)行按位與，但首先對R2中的位進(jìn)行補(bǔ)充。此操作通常與立即數(shù)一起使用，如第二行所示，立即數(shù)0xFF取反，然后與R1進(jìn)行“與”運(yùn)算。將八個(gè)零與R1的第一個(gè)字節(jié)進(jìn)行“與”運(yùn)算將清除這些位，即，將它們設(shè)置為零，然后將結(jié)果放入R0。

BIC R0，R1，R2
BIC R0，R1，＃0xFF

測試位（TST）和測試當(dāng)量（TEQ）存在TeST位（TST）和測試等效項(xiàng)（TEQ）以測試位于寄存器中的位。這些指令不使用目標(biāo)寄存器，而只是根據(jù)結(jié)果更新狀態(tài)寄存器。TST本質(zhì)上執(zhí)行兩個(gè)操作數(shù)的按位與。通過為操作數(shù)2使用掩碼，我們可以測試R0中是否設(shè)置了單個(gè)位。
在這種情況下，我們檢查第3位（位掩碼= 1000b = 8），然后根據(jù)結(jié)果設(shè)置Z標(biāo)志。TEQ與排他或執(zhí)行類似的功能，非常適合檢查兩個(gè)寄存器是否相等。這將更新N和Z標(biāo)志，因此它也適用于帶符號的數(shù)字。如果它們的符號不同，則將N設(shè)置為1。

TST R0, #8
TEQ R1, R2

乘法（MUL）乘法（MUL）將R1乘以R2并將結(jié)果存入R0。乘法不能與立即數(shù)一起使用。

MUL R0，R1，R2
移位和旋轉(zhuǎn)說明邏輯左移（LSL）邏輯左移（LSL）將R1中的位移位一個(gè)移位值。在這種情況下，立即數(shù)為3，并丟棄最高有效位。移出的最后一位放入進(jìn)位標(biāo)志，最低有效位用零填充。在下面，R1向左移動立即數(shù)3，即R2中的0到31之間的一個(gè)值，然后放入R0。邏輯左移一個(gè)值乘以2。這是進(jìn)行簡單乘法的廉價(jià)方法。

LSL R0，R1，＃3
LSL R0，R1，R2

邏輯右移（LSR）邏輯右移（LSR）與LSL以相反的方式工作，并且有效地將一個(gè)值除以2。最高有效位用零填充，最后最低有效位放入進(jìn)位標(biāo)志。

LSR R0，R1，＃2

算術(shù)右移（ASR）算術(shù)右移（ASR）執(zhí)行與LSR相同的工作，但設(shè)計(jì)用于帶符號的數(shù)字。它將符號位復(fù)制回左側(cè)的最后一個(gè)位置。

ASR R0，R1，＃4

向右旋轉(zhuǎn)（ROR）向右旋轉(zhuǎn)（ROR）將一個(gè)單詞中的所有位旋轉(zhuǎn)一個(gè)值。無需將左側(cè)的位填充零，只需將移出的位放回另一端即可。

ROR R0，R1，＃5
分支操作說明處理器的一項(xiàng)重要功能是能夠基于一組輸入在兩個(gè)代碼路徑之間進(jìn)行選擇的能力。這正是分支操作所要做的。處理器通常通過將程序計(jì)數(shù)器（PC）R15遞增四個(gè)字節(jié)（即，一條指令的長度）來執(zhí)行一條指令。分支將PC更改為另一個(gè)標(biāo)簽，該標(biāo)簽表示代表匯編代碼的那部分。

支（B）分支（B）將PC移至標(biāo)簽指定的地址。標(biāo)簽（下面的示例中的“循環(huán)”）代表您希望處理器接下來執(zhí)行的一段代碼。標(biāo)簽只是文本，通常是一個(gè)有意義的詞。

B loop

分支鏈接（BL）分支鏈接（BL）執(zhí)行類似的操作，但是它將下一條指令的地址復(fù)制到鏈接寄存器（LR）R14中。這在執(zhí)行子例程/過程調(diào)用時(shí)非常有用，因?yàn)橐坏?biāo)簽上的代碼部分完成，我們就可以使用LR返回分支。在下面，我們跳轉(zhuǎn)到標(biāo)簽“子例程”，然后使用鏈接寄存器返回下一條指令。

BL subroutine

…

subroutine:
…
…
MOV PC, LR

我們使用mov指令將鏈接寄存器放回程序計(jì)數(shù)器。這將使程序返回到我們子程序調(diào)用之后的位置，此處標(biāo)記為。注意上面的LR和PC的使用。ARM匯編器分別將它們識別為R14和R15。這樣可以方便地提醒程序員有關(guān)正在執(zhí)行的操作。
加載和存儲說明計(jì)算機(jī)的內(nèi)存存儲處理器所需的數(shù)據(jù)。通過使用地址訪問此數(shù)據(jù)。首先將地址放入寄存器，然后我們可以訪問該地址的數(shù)據(jù)。這就是為什么我們使用加載和存儲操作。

加載寄存器（LDR）加載寄存器（LDR）將位于某個(gè)地址的數(shù)據(jù)加載到目標(biāo)寄存器中。R1周圍的括號表示該寄存器包含一個(gè)地址。通過使用括號，我們將位于該地址的數(shù)據(jù)（而不是地址本身）放入R0。我們還可以使用這種表示法來定位與某個(gè)地址的數(shù)據(jù)偏移量，如第二行所示。R0將包含與地址R1所包含的內(nèi)容相距兩個(gè)字的數(shù)據(jù)。

LDR R0，[R1]
LDR R0，[R1，＃8]

我們還可以使用標(biāo)簽表示地址，然后可以將相應(yīng)的數(shù)據(jù)加載到寄存器中。下面的第一行將標(biāo)簽“ info”的地址加載到R0中。然后訪問存儲在該地址的值，并將其放入第二行的R1中。

LDR R0, =info
LDR R1, [R0]

商店（STR）存儲（STR）執(zhí)行補(bǔ)充操作以加載。STR將寄存器的內(nèi)容放入存儲位置。下面的代碼將數(shù)據(jù)存儲在R1中R0的地址處。同樣，方括號表示R0擁有一個(gè)地址，我們希望修改該地址上的數(shù)據(jù)。

STR R1，[R0]

加載和存儲類型：字節(jié)（B），半字（H），字（略），有符號（SB），無符號（B）加載和存儲都可以使用附加的類型編寫。此類型表示指令將操作字節(jié)（B），半字（H）還是字（忽略），以及數(shù)據(jù)是帶符號的（SB）還是無符號的（B）。
一個(gè)方便的地方是用于字符串操作，因?yàn)锳SCII字符的長度為一個(gè)字節(jié)。這些操作還允許在加載或存儲時(shí)使用偏移量，如最后一行所示。

LDR R0, =text @ load a 32 bit address into R0
STRB R1, [R0] @ store byte at address in memory

STRB R1, [R0, + R2] @ store byte at address + offset R2

如前所述，指令中使用的助記符可以附加可選的條件代碼。這允許條件執(zhí)行。
請記住，這些標(biāo)志（如前面的文章中布局）是Z（?ERO），C（?ARRY），N（?egative）和V（OveRFlow）。
為了強(qiáng)制指令更新狀態(tài)寄存器，可以將一個(gè)可選的S附加到迄今為止提到的大多數(shù)助記符中。更新狀態(tài)寄存器后，可以使用以下條件后綴（如下所示）來控制指令是否執(zhí)行。這些后綴的二進(jìn)制代碼對應(yīng)于上面顯示的數(shù)據(jù)處理指令的前四位（請參見圖1）。


圖2.條件后綴
在編寫匯編時(shí)，這些后綴將附加到助記符。下面的清單顯示了前面提到的說明中使用的一些條件后綴。
由于我們將在下一篇文章中使用GNU匯編器進(jìn)行匯編，因此我們需要使用@符號表示注釋。

.global _start

start:
MOV R0, #3 @ Put the value 3 into R0
MOV R1, #0 @ Put the value 0 into R1

loop:
CMP R0, R1 @ Compare R1 to R0 (effectively R0 minus R1)
BEQ done @ If they are equal (Z=1) branch to done label
ADDGT R1, #1 @ If R0 is greater than R1 add 1 to R1
SUBLT R1, #1 @ If R0 is less than R1 subtract 1 from R1
B loop @ Branch back and re-run loop

done:

@ do other stuff

希望本文能使你對用于編程ARM內(nèi)核的基本指令有基本的了解。在下一篇文章中，我們將在一個(gè)使用Raspberry Pi編程內(nèi)核的簡單示例中使用此知識。