这篇文章给大家分享的是有关ARM体系结构与常用汇编指令是什么的内容。小编觉得挺实用的，因此分享给大家做个参考，一起跟随小编过来看看吧。

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一、ARM体系结构

 ARM（Advanced RISC Machines） ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。ARM 处理器是一种低功耗高性能的 32 位RISC 处理器，基于 ARM 的处理器以其高速度、低功耗等诸多优异的性能而得到非常广泛的应用。
 ARM公司在经典处理器ARM11以后的产品改用Cortex命名，并分成A、R和M三类，其分别应用于不同的领域。Cortex系列属于ARMv7架构，其中“A”系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用；“R”系列针对实时系统；“M”系列对微控制器。在ARM11推出前，其处理器比较：

	ARM7	ARM9	ARM10	ARM11
流水线	3级	5级	6级	8级
典型频率MHz	80	150	260	335
功耗mW/MHz	0.06	0.19(+cache)	0.5 (+cache)	0.4  (+cache)
性能MIPS/MHz	0.97	1.1	1.3	1.2
架构	冯*诺伊曼	哈佛	哈佛	哈佛

 冯诺伊曼结构与哈佛结构的区别：

 在TQ2440开发板上使用的是S3C2440芯片。这是一款基于ARM920T核心的微处理器芯片，采用哈佛结构使用5级指令流水线包括：取指、译码、执行、存储及写入。各步骤作用分别为：
（1）取指令（fetch）：从存储器中取出指令，并将其放入指令流水线。
（2）译码（decode）：指令被译码，从寄存器堆中读取寄存器操作数。在寄存器堆中有3个操作数读端口，因此，大多数ARM指令能在1个周期内读取其操作数。
（3）执行（execute）：将其中1个操作数移位，并在ALU中产生结果。如果指令是Load或Store指令，则在ALU中计算存储器的地址。
（4）缓冲/数据（buffer/data）：如果需要则访问数据存储器，否则ALU只是简单地缓冲1个时钟周期。
（5）回写（write-back）：将指令的结果回写到寄存器堆，包括任何从寄存器读出的数据。
1.1ARM基本数据类型
 ARM采用的是32位架构，基本数据类型有3种：Byte(字节), 8bit；Halfword(半字)，16bit(半字必须2字节边界对齐)；Word(字)， 32bit（字必须于4字节边界对齐）。
 长度为1个字的数据项占用一组4字节的位置，该位置开始于4的倍数的地址（地址最末两位为00）半字占有两个字节的位置，该位置开始于偶数字节地址（地址最末一位为0）。

1.2存储器大/小端
 大端模式，是指数据的高字节保存在内存的低地址中，而数据的低字节保存在内存的高地址中。小端模式，是指数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中。例如变量word a=0xf6734bcd，使用大/小端存储格式完全不一样。
  
1.3ARM编程模型
 要想了解ARM920T为内核芯片的主要可以从几个方面入手：工作模式、ARM异常种类、寄存器组织、运行状态。
 ARM920T是基于ARM V4T 架构，共有7种工作模式：

处理器	描述
用户模式（usr）	ARM 处理器正常的程序执行状态。
快速中断模式（fiq）	用于高速数据传输或通道处理。
外部中断模式（irq）	用于通常的中断处理。
管理模式（svc）	操作系统使用的保护模式。
数据访问终止模式（abt）	当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。
系统模式（sys）	运行具有特权的操作系统任务。
未定义指令中止模式（und）	当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。

 七种工作模式又可以从两个方面划分：特权模式与非特权模式；异常模式与非异常模式。

划分方式	说明
特权模式与非特权模式	用户模式外的其他6种处理器模式称为特权模式（Privileged Modes）。在特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式切换，而用户模式不能直接切换到别的模式。
异常模式与非异常模式	除去用户模式和系统模式以外的 5 种又称为异常模式（ExceptionModes），常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系统资源等情况。

 在异常模式下，有着不同的异常，其对应关系为：

异常	向量表	模式
复位(Reset)	0x00	管理模式
未定义指令(Undefined Instruction)	0x04	未定义指令中止模式
软中断(Software Interrupt)	0x08	管理模式
指令预取异常(Prefetch Abrot)	0x0C	数据访问终止模式
数据异常(Data Abort)	0x10	数据访问终止模式
保留(Reserved)	0x14	/
中断(IRQ)	0x18	数据访问终止模式
快速中断(FIQ)	0x1C	快速中断模式

 ARM 处理器共有 37 个寄存器，被分为若干个组（BANK）。31 个通用寄存器，包括程序计数器（PC 指针），均为 32 位的寄存器；6 个状态寄存器，1个CPSR（Current Program Status Register，当前程序状态寄存器），5个SPSR（Saved Program Status Register，备份程序状态寄存器），用以标识 CPU 的工作状态及程序的运行状态，均为 32 位。ARM有7种不同的处理器模式，在每一种处理器模式中有一组相应的寄存器组。

  在汇编语言中寄存器R0～R13为保存数据或地址值的通用寄存器。它们是完全通用的寄存器，不会被体系结构作为特殊用途，并且可用于任何使用通用寄存器的指令。这些通用寄存器根据其分组与否可分为以下2类。未分组寄存器（the Unbanked Register），包括R0～R7；分组寄存器（the Banked Register），包括R8～R14。
  未分组寄存器没有被系统用于特殊的用途，任何可采用通用寄存器的应用场合都可以使用未分组寄存器。但由于其通用性，在异常中断所引起的处理器模式切换时，其使用的是相同的物理寄存器，所以也就很容易使寄存器中的数据被破坏。
  分组寄存器根据处理器模式使用方法有所不同：

分组寄存器	说明
R8～R12	每个寄存器对应两个不同的物理寄存器。一组用于除FIQ模式外的所有处理器模式，而另一组则专门用于FIQ模式。
R13和R14	每个寄存器对应6个不同的物理寄存器。其中的一个是用户模式和系统模式公用的，而另外5个分别用于5种异常模式。访问时需要指定它们的模式。名字形式：R13、R14。可以是以下几种模式之一：usr、svc、abt、und、irp及fiq。R13寄存器在ARM处理器中常用作堆栈指针，称为SP ；寄存器R14又被称为连接寄存器（Link Register，LR）。

  程序计数器R15（ PC），它指向正在取指的地址，在异常模式中，另外一个寄存器“ 程序状态备份寄存器（ SPSR） ” 可以被访问。每种异常都有自己的SPSR，在进入异常时它保存CPSR的当前值，异常退出时可通过它恢复CPSR。该寄存器的位分配图为：

寄存器位	作用
N位	符号位。如果结果为负数，则N = 1；如果结果为正数或0，则 N = 0
Z位	如果指令的结果为0，则置1（通常用来表示比较的结果为“相等”）；否则置0
C位	表示运算的进位、借位等
V位	益出标志位
Q标志位	在带DSP指令扩展的ARM v5及更高版本中，bit[27]被指定用于指示增强的DAP指令是否发生了溢出，因此也就被称为Q标志位。同样，在SPSR中bit[27]也被称为Q标志位，用于在异常中断发生时保存和恢复CPSR中的Q标志位。在ARM v5以前的版本及ARM v5的非E系列处理器中，Q标志位没有被定义，属于待扩展的位。
I = 1	IRQ被禁止
F = 1	FIQ被禁止
T位	处理器的状态控制位。T = 0，处理器处于ARM状态（即正在执行32位的ARM指令）。T = 1，处理器处于Thumb状态（即正在执行16位的Thumb指令）。T位只有在T系列的ARM处理器上才有效，在非T系列的ARM版本中，T位将始终为0。
M[4∶0]	作为位模式控制位，其具体控制模式可见下表。

  ARM处理器的运行状态可以分为ARM与Thumb两种状态。其中ARM状态下PC值为字对齐(4字节)，Thumb状态下PC值为半字对齐(2字节)。

二、ARM的指令系统

  在嵌入式开发中，汇编程序常常用于非常关键的地方，比如系统启动时的初始化，进出中断时的环境保存、恢复，对性能要求非常苛刻的函数等。ARM 微处理器的指令集主要有 6 大类：跳转指令、数据处理指令、程序状态寄存器（PSR）处理指令、加载/存储指令、协处理器指令、异常产生指令。
2.1跳转指令
 跳转（B）和跳转连接（BL）指令是改变指令执行顺序的标准方式。ARM一般按照字地址顺序执行指令，需要时使用条件执行跳过某段指令。只要程序必须偏离顺序执行，就要使用控制流指令来修改程序计数器。主要有三条指令：

指令	语法格式	跳转范围
跳转指令B及带连接的跳转指令BL	B{L}{}	PC+-32MB
BX带状态切换的跳转指令BX	BX{}	绝对地址4G
BXL带状态切换的连接跳转指令BLX	BLX	绝对地址4G

2.2数据处理指令
 在了解ARM的数据处理指令之前要知道ARM的寻址方式，数据处理指令寻址方式可以分为3种：立即数寻址方式；寄存器寻址方式；寄存器移位寻址方式。其语法格式为：
{} {S} ,,，其中，有11种形式 。

数据指令寻址方式	指令
立即数寻址	指令中的立即数是由一个8bit常数移动4bit偶数位得到的。
ADD  R3,R3,＃1   ;R3的值加1
CMP  R7,＃1000   ;R7的值和1000比较
BIC  R9,R8,＃0xFF00   ;将R8中8～15位清零，结果保存在R9中
寄存器寻址方式	寄存器的值可以被直接用于数据操作指令，这种寻址方式是各类处理器经常采用的一种方式，也是一种执行效率较高的寻址方式。
ADD  R4,R3,R2   ;R2加R3，结果送R4
CMP  R7,R8     ;比较R7和R8的值
寄存器移位寻址方式	寄存器的值在被送到ALU之前，可以事先经过桶形移位寄存器的处理。预处理和移位发生在同一周期内，所以有效地使用移位寄存器，可以增加代码的执行效率。
MOV  R1,R0,LSL  #2
RSB  R9,R5,R5,LSL  #1

内存访问指令寻址方式主要有以下几种。

寄存器指令寻址方式	含义
寄存器间接寻址	指令中的地址码给出的是一个通用寄存器编号，所需要的操作数保存在寄存器指定地址的存储单元中，即寄存器为操作数的地址指针，操作数存放在存储器中。

LDR R0,[R1] ； R0←[R1]（将R1中的数值作为地址，取出此地址中的数据保存在R0中）
STR R0,[R1] ； [R1] ←R0

寄存器指令寻址方式	含义
变址寻址	将基址寄存器的内容与指令中给出的偏移量相加，形成操作数的有效地址，变址寻址用于访问基址附近的存储单元，常用于查表，数组操作，功能部件寄存器访问等。

LDR R2,[R3,#4] ； R2←[R3 + 4]（将R3中的数值加4作为地址，取出此地址的数值保存在R2 中）
STR R1,[R0,#-2] ； [R0-2] ← R1

多寄存器寻址	含义
变址寻址	采用多寄存器寻址方式，一条指令可以完成多个寄存器值的传送，这种寻址方式用一条指令最多可以完成16个寄存器值的传送。

LDMIA R0,{R1,R2,R3,R5} ； R1←[R0]
(IA表示是后递增方式）； R2←[R0 + 4]
(IB表示是先递增方式) ； R3←[R0 + 8]
(DA和DB表示后递减和先递减) ； R5←[R0 + 12]

多寄存器寻址	含义
堆栈寻址	堆栈操作顺序分为“后进先出”和“先进后出”，堆栈寻址时隐含的，它使用一个专门的寄存器（堆栈指针）指向一块存储区域（堆栈），指针所指向的存储单元就是堆栈的栈顶。

向上生长：向高地址方向生长，称为递增堆栈；向下生长：向低地址方向生长，称为递减堆栈。
堆栈指针指向最后压入的堆栈的有效数据项， 称为满堆栈(Full Stack)；堆栈指针指向下一个要放入的空位置，称为空堆栈(
Empty  Stack)。

堆栈工作方式	说明
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。如指令LDMFA， STMFA 等。
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。如指令LDMFD， STMFD 等。
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。如指令LDMEA， STMEA 等。
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。如指令LDMED， STMED 等。

  数据操作指令是指对存放在寄存器中的数据进行操作的指令。包括：数据传送指令、 算术指令、 逻辑指令、 比较与测试指令及乘法指令。 如果在数据处理指令后使用S前缀，指令的执行结果将会影响CPSR中的标志位。

  ARM乘法指令完成两个数据的乘法。两个32位二进制数相乘的结果是64位的积。

乘法指令	说明
MUL指令	MUL（Multiply）32位乘法指令将Rm和Rs中的值相乘，结果的最低32位保存到Rd中
MLA乘—累加指令	MLA（Multiply Accumulate）32位乘—累加指令将Rm和Rs中的值相乘，再将乘积加上第3个操作数，结果的最低32位保存到Rd中。
UMULL指令	UMULL（Unsigned Multiply Long）为64位无符号乘法指令。它将Rm和Rs中的值做无符号数相乘，结果的低32位保存到RsLo中，高32位保存到RdHi中。
UMLAL指令	UMLAL（Unsigned Multiply Accumulate Long）为64位无符号长乘—累加指令。指令将Rm和Rs中的值做无符号数相乘，64位乘积与RdHi、RdLo相加，结果的低32位保存到RsLo中，高32位保存到RdHi中。
SMULL指令	SMULL（Signed Multiply Long）为64位有符号长乘法指令。指令将Rm和Rs中的值做有符号数相乘，结果的低32位保存到RsLo中，高32位保存到RdHi中。
SMLAL指令	SMLAL（Signed Multiply Accumulate Long）为64位有符号长乘—累加指令。指令将Rm和Rs中的值做有符号数相乘，64位乘积与RdHi、RdLo相加，结果的低32位保存到RsLo中，高32位保存到RdHi中。

2.3加载/存储指令
  Load/Store内存访问指令在ARM寄存器和存储器之间传送数据。 ARM指令中有3种基本的数据传送指令。单寄存器Load/Store指令（ Single Register）；’多寄存器Load/Store内存访问指令；单寄存器交换指令（ Single Register Swap）。

指令	说明
单寄存器的Load/Store指令	用于把单一的数据传入或者传出一个寄存器。支持的数据类型有字节（ 8位）、半字（ 16位）和字（ 32位）。

示例代码：
LDR R2,[R5] ;将R5指向地址的字数据存入R2
STR R1,[R0,#0x04] ;将R1的数据存储到R0+0x04地址
LDRB R3,[R2],#-1 ;将R2指向地址的字节数据存入R3， R2＝R2－1

指令	说明
多寄存器的Load/Store内存访问指令	多寄存器的Load/Store内存访问指令也叫批量加载/存储指令，它可以实现在一组寄存器和一块连续的内存单元之间传送数据。 LDM用于加载多个寄存器， STM用于存储多个寄存器。

示例代码：
    LDR R0,=SrcData ;设置源数据地址
    LDR R1,=DstData ;设置目标地址
    LDMIA R0,{R2～R9} ;加载8字数据到寄存器R2～R9
    STMIA R1,{R2～R9} ;存储寄存器R2～R9到目标地址

指令	说明
单数据交换指令	交换指令是Load/Store指令的一种特例，它把一个寄存器单元的内容与寄存器内容交换。

2.4程序状态寄存器（PSR）处理指令
 ARM指令集提供了两条指令，可直接控制程序状态寄存器。MRS指令用于把CPSR或SPSR的值传送到一个寄存器；MSR与之相反，把一个寄存器的内容传送到CPSR或SPSR。这两条指令相结合，可用于对CPSR和SPSR进行读/写操作。

（ 1）MRS指令的语法格式： 
        MRS{cond} Rd， PSR;Rd为目标寄存器， Rd不允许为程序计数器（ PC）。 PSR为CPSR或SPSR。
指令举例：
        MRS R1,CPSR ;将CPSR状态寄存器读取，保存到R1中
        MRS R2,SPSR ;将SPSR状态寄存器读取，保存到R1中

（2）MSR指令的语法格式
    MSR{cond} PSR_field,#immed_8r 或MSR{cond} PSR_field,Rm
        设置状态寄存器中需要操作的位。状态寄存器的32位可以分为4个8位的域（ field）。 
                    bits[31： 24]为条件标志位域，用f表示； 
                    bits[23：16]为状态位域，用s表示； 
                    bits[15： 8]为扩展位域，用x表示； 
                    bits[7： 0]为控制位域，用c表示； 
                    immed_8r为要传送到状态寄存器指定域的立即数， 8位； 
                    Rm为要传送到状态寄存器指定域的数据源寄存器。
指令举例：
        MSR CPSR_c,＃0xD3 ;CPSR[7:0]=0xD3,切换到管理模式
        MSR CPSR_cxsf,R3 ;CPSR=R3

2.5协处理器指令
 ARM协处理器指令可分为3类：协处理器数据操作， CDP；协处理器数据传送指令，包括LDC和STC；协处理器寄存器传送指令，包括MCR和MRC。

2.6异常产生指令
 ARM指令集中提供了两条产生异常的指令，通过这两条指令可以用软件的方法实现异常。

三、ARM-THUMB 子程序调用规则 ATPCS

 为了使 C 语言程序和汇编程序之间能够互相调用，必须为子程序间的调用制定规则，在ARM 处理器中，这个规则被称为 ATPCS： ARM 程序和 Thumb 程序中子程序调用的规则。 基本的ATPCS 规则包括寄存器使用规则、数据栈使用规则、参数传递规则。
3.1、寄存器使用规则
ARM 处理器中有 r0～r15 共 16 个寄存器， 它们的用途有一些约定的习惯，并依具这些用途定义了别名，如下表所示：

寄存器	别名	使用规则
Text	Text	Text
r15	pc	程序计数器
r14	lr	连接寄存器
r13	sp	数据栈指针
r12	ip	子程序内部调用的 scratch 寄存器
r11	v8	ARM 状态局部变量寄存器 8
r10	v7、 s1	ARM 状态局部变量寄存器 7、在支持数据栈检查的 ATPCS 中为数据栈限制指针
r9	v6、 sb	ARM 状态局部变量寄存器 6、在支持 RWPI 的 ATPCS 中为静态基址寄存器
r8	v5	ARM 状态局部变量寄存器 5
r7	v4、 wr	ARM 状态局部变量寄存器 4、 Thumb 状态工作寄存器
r6	v3	ARM 状态局部变量寄存器 3
r5	v2	ARM 状态局部变量寄存器 2
r4	v1	ARM 状态局部变量寄存器 1
r3	a4	参数/结果/scratch 寄存器 4
r2	a3	参数/结果/scratch 寄存器 3
r1	a2	参数/结果/scratch 寄存器 2
r0	a1	参数/结果/scratch 寄存器 1

3.2、 数据栈使用规则
 数据栈有两个增长方向：向内存地址减小的方向增长时，称为 DESCENDING 栈；向内地址增加的方向增长时，称为 ASCENDING 栈。
 所谓数据栈的增长就是移动栈指针。当栈指针指向栈顶元素(最后一个入栈的数据)时，称为 FULL 栈；当栈指针指向栈顶元素(最后一个入栈的数据)相邻的一个空的数据单元时，称为 EMPTY 栈。
 综合这两个特点， 数据栈可以分为以下 4 种：① FD Full Descending，满递减;② ED Empty Descending，空递减;③ FA Full Ascending，满递增;④ EA Empty Ascending，空递增。
 ATPCS 规定数据栈为 FD 类型，并且对数据栈的操作是 8 字节对齐的。 使用 stmdb/ldmia批量内存访问指令来操作 FD 数据栈。
3.3、 参数传递规则
 一般来说，当参数个数不超过 4 个时，使用 r0～r3 这 4 个寄存器来传递参数；如果参数个数超过 4 个，剩余的参数通过数据栈来传递。对于一般的返回结果， 通常使用 a0～a3 来传递。

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