ARM 体系知识总结_mla r1mla,r3;r0;寻址方式

参考

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1. 转载;

ARM 处理器简介和RISC特点

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ARM 处理器简介

ARM（Advanced RISC Machines）是一个32位RISC（精简指令集）处理器架构，ARM处理器则是ARM架构下的微处理器。ARM处理器广泛的使用在许多嵌入式系统。ARM处理器的特点有指令长度固定，执行效率高，低成本等。

RISC 设计主要特点

• 指令集——RISC减少了指令集的种类，通常一个周期一条指令，采用固定长度的指令格式，编译器或程序员通过几条指令完成一个复杂的操作。而CISC指令集的指令长度通常不固定；
• 流水线——RISC采用单周期指令，且指令长度固定，便于流水线操作执行；
• 寄存器——RISC的处理器拥有更多的通用寄存器，寄存器操作较多。例如ARM处理器具有37个寄存器；
• Load/Store结构——使用加载/存储指令批量从内存中读写数据，提高数据的传输效率；
• 寻址方式简化，指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少。

ARM 的基本数据类型

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• 双字节（DoubleWord）：64位
• 字（Word）：在ARM体系结构中，字的长度为32位。
• 半字（Half-Word）：在ARM体系结构中，半字的长度为16位。
• 字节（Byte）：在ARM体系结构中，字节的长度为8位。

ARM 处理器存储格式

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ARM体系结构将存储器看作是从0地址开始的字节的线性组合。作为32位的微处理器，ARM体系结构所支持的
最大寻址空间为4GB。ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，分别为大端模式和小端模式。

• 大端模式（高地高低）：字的高字节存储在低地址字节单元中，字的低字节存储在高地址字节单元中。
• 小端模式（高高低低）：字的高字节存储在高地址字节单元中，字的低字节存储在低地址字节单元中。

内核的工作模式

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• 用户模式（user）：正常程序执行模式；
• 快速中断模式（FIQ）：高优先级的中断产生会进入该种模式，用于高速通道传输；
• 外部中断模式（IRQ）：低优先级中断产生会进入该模式，用于普通的中断处理；
• 特权模式（Supervisor）：复位和软中断指令会进入该模式；
• 数据访问中止模式（Abort）：当存储异常时会进入该模式；
• 未定义指令中止模式（Undefined）：执行未定义指令会进入该模式；
• 系统模式（System）：用于运行特权级操作系统任务；
• 监控模式（Monitor）：可以在安全模式和非安全模式之间切换；

ARM9 的 5 级流水线：

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流水线的执行顺序：取指令->译码->执行->缓冲/数据->回写

• 取指令（Fetch）：从存储器读取指令；
• 译码（Decode）：译码以鉴别它是属于哪一条指令；
• 执行（Execute）：将操作数进行组合以得到结构或存储器地址；
• 缓冲/数据（Buffer/data）：如果需要，则访问存储器以存储数据；
• 回写（Write-back）：将结果写回寄存器组中；

影响流水线性能的因素：

• 互锁：不同的指令顺序也会造成时钟周期的不同，比如一条指令的执行需要前一条指令的结果；如果此时前一条指令结果还没有出来，那就需要等待，这就是流水线互锁；

LDR r1, [r2, #4]
ADD r0, r0, r1 // r1 的值要等待 LDR 的结果
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• 跳转指令：跳转指令会破坏流水线的行为，后续指令的取值步骤受到跳转目标的影响。

寄存器组

• ARM Cortex-A8 处理器有 40 个 32 位的寄存器；

  • 32个通用寄存器；
  • 7个状态寄存器：1 个 CPSR （当前状态寄存器）；6 个 SPSR （备份程序状态寄存器）；
  • 1 个 PC 寄存器（程序计数器）；

• 每一种处理器模式有一组与之对应的寄存器组，如下对应方式：
  

• 通用寄存器 R0 - R7：

  • 未分组寄存器 R0-R7：在所有运行模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄存器，他们未被系统用作特殊的用途。因此在中断或异常处理进行异常模式转换时，由于不同的处理器运行模式均使用相同的物理寄存器，所以可能造成寄存器中数据的破坏。
  • 分组寄存器 R8-R14：
    • 对于分组寄存器，他们每次所访问的物理地址寄存器都与当前的处理器运行模式相关；
    • R13 常用作存放堆栈指针，用户也可以使用其他寄存器存放堆栈指针，称为 SP；
    • R14 称为链接寄存器 （LR），当执行子程序时，R14 可得到 R15（PC）的备份，执行完子程序，又将 R14 的值复制回 PC，即使用 R14 保存返回地址；
  • 程序计数器 PC （R15）：寄存器 R15 用作程序计数器（PC），在ARM状态下，位 [1:0] 为 0，位 [31:2] 用于保存 PC；在 Thumb 状态下 位[0] 为 0；位[31:1]用于保存PC。对于ARM指令集而言，PC总是指向当前指令的下两条指令的地址，即 PC 的值为当前指令的；地址值加 8 个字节；

• 程序状态寄存器 CPSR（Current Program Status Register，当前程序状态寄存器），CPSR 可在任何运行模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位以及其他一些相关的控制和状态位。包含以下内容：

  • ALU 状态标志的备份；
  • 当前的处理模式；
  • 中断使能标志；
  • 设置处理的状态；
    每一种运行模式下都有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR（Saved Program Status Register，备份的程序状态寄存器），当异常发生时，SPSR 用于保存当前 CPSR 的值，从异常退出时则可由 SPSR 来恢复 CPSR。
    由于用户模式和系统模式不属于异常模式，这两种状态下没有 SPSR，因此在这两种状态下访问 SPSR，结果是未知的。
    
    
    
    

ARM 指令集

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数据操作指令：

• MOV：将数据从一个寄存器传送到另一个寄存器

MOV AX，2000H；// 将 16 位数据 2000H 传送到 AX 寄存器
MOV AL，20H；// 将 8 位数据 20H 传送到 AL 寄存器
MOV AX，BX；// 将 BX 寄存器的 16 位数据传送到 AX 寄存器
MOV AL，[2000H]；// 将 2000H 单元的内容传送到 AL 寄存器
MOVW // 把 16 位立即数放到寄存器的低16位，高16位清0
MOVT  // 把 16 位立即数放到寄存器的高16位，低 16位不影响
movw r8, #19028 ; 0x4a54 // 把 0x4a5a 放到寄存器 r8 的低 16 位，r8 高 16位清零； 
movt r8, #49456 ; 0xc130 // 把 0xc130 放到寄存器 r8 的高 16 位；
r8 = 0xc1304a54
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• AND：逻辑与操作

AND R2，R1，R3 // R2 = R1 & R3
ANDS R0，R0，#0x01 // R0 = R0 & 0x01
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• SUB：减法操作

SUB R0，R1，R2 // R0 = R1 – R2
SUB R0，R1，#256 // R0 = R1 -256
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• ADD：加法操作

ADD R0，R1，R2  // R0 = R1 + R2
ADD R0，R1，#256  // R0 = R1 + 256
ADD R0，R2，LSL#1 // R0 = R2 + (R3 << 1)
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• CMP 比较指令；
• BIC 位清零指令

BIC R0, R0, #0X1011 // 清除位 0/1/3
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乘法指令

• MUL MLA

MUL R1，R2，R3 //R1 = R2 * R3
MOV R0，#0x0A
MLA R1，R2，R3，R0 // R1 = R2 * R3 + 10
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Load/Store指令

• LDR 从存储器中将一个 32 位的字数据传送到目的寄存器中。

LDR R1，[R0，#0x12]             // 将 R0 +12 地址处的数据读出，保存到 R1 中；
LDR R1，[R0，R2]                  // 将 R0 + R2 地址的数据读出，保存到 R1 中；
LDR RD，[Rn]，#0x04            // Rn 的值用作传输数据的基地址，在数据传送后，将偏移量0x04与Rn相加写回到RD中
LDR R0，[R1，LSL #3]           // 将存储器地址为R1*8的字数据读入寄存器R0。
LDR R0，[R1，R2，LSL #2]   // 将存储器地址为R1+R2*4的字数据读入寄存器R0。
LDR R0，[R1，R2，LSL #2]！ // 将存储器地址为R1+R2*4的字数据读入寄存器R0，并将R1+R2*4的值存入R1。
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• STR 用于将一个 32bit 的数据写入到指定的内存单元

STR R0，[R1]，＃8 　// 将 R0 中的字数据写入以 R1 为地址的存储器中，并将新地址 R1＋8 写入 R1。
STR R0，[R1，＃8] 　// 将 R0 中的字数据写入以 R1＋8 为地址的存储器中
STR R1, [R0] 　　　　// 将 R1 寄存器的值，传送到地址值为 R0 的（存储器）内存中
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跳转指令

• B 跳转指令
• BL 带返回的连接跳转
• BX 跳转并切换状态
• BLX 带返回的跳转并切换状态

状态操作指令

ARM 指令提供了两条如下指令，可直接控制程序状态寄存器(只有在特权模式下才能修改状态寄存器)：

• MRS： 把程序状态寄存器的值送到一个通用寄存器中

MRS R1, CPSR      // 将 CPSR 状态寄存器读出，保存到R1中
MRS R2, SPSR
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• MSR：把寄存器的内容传送到程序状态寄存器

MSR CPSR_c，#0xD3      // CPSR[7:0] = 0xD3切换到管理模式
MSR CPSR_c，R3 　       // CPSR = R3
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异常产生指令：

• SWI：软中断指令，产生软中断，处理器进入管理模式；

SWI 0                   // 产生软中断，中断立即数为0
SWI 0x123456     // 产生软中断，中断立即数为0x123456
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• BKPT：断点中断指令，处理器产生软件中断，产生一个预取异常，用来设置软件断点；

ARM 指令的寻址方式

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• 立即数寻址：

MOV R0，#0                   // 送0到R0中
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0，结果保存在R9中
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• 寄存器寻址：寄存器的值可以被直接用于数据操作指令

MOV R2，R0              // R0的值送R2
ADD R4，R3，R2      // R4 = R2 + R3
CMP R7，R8              // 比较R7和R8的值
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• 寄存器移位寻址：预处理和移位发生在同一周期内，有效使用移位寄存器，可以提供代码执行效率；

ADD R2，R0，R1，LSR #5
MOV R1，R0，LSL #2
RSB R9，R5，R5，LSL #1
SUB R1，R2，R0，LSR #4
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• 寄存器间接寻址：

LDR R1，[R2]      // 将R2的数值作为地址，取出地址中的数据保存到R1中
STR R1，[R2]      // 将R2数值作为地址，取出R1中的值存入R2所指向的地址
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• 基址变址寻址：基址变址是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；基址变址寻址常用于查表、数组操作、访问基址附近的存储单元等。

LDR R1，[ R0，#0xf ]      // 将 R0 的数值加 0x0f 作为地址，取出此地址的数值保存到 R1
STR R1，[R0，#-2]          // 将 R0 的数值减 2 作为地址，将 R1 中的内容保存到此地址中
STR R1，[R0，+R2]         // 将 R0 的值加上 R2 的值作为地址，把 R1 的内容保存到该地址
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• 多寄存器寻址/块拷贝寻址：批量Load、Store指令将一片连续的内存单元数据加载到通用寄存器组中，或将一组通用寄存器的数据存储到内存单元中：
  • IA ：后递增方式
  • IB ：先递增方式
  • DA：后递减方式
  • DB：先递减方式
  • 块拷贝寻址指令：STMIA、STMIB；
• 相对寻址：

BL FUN1 //调用到FUN1的子程序
B LOOP //条件跳转到LOOP标号处
STMDA
STMDB
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异常中断

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硬件中断&软件中断：

• 硬件中断是随机的，不可预测的
• 软件中断是事先安排的（如workQueue、task）

ARM处理器有七种类型的异常：：

• 复位异常（Reset）：处理器在工作时, 突然按下重启键, 就会触发该异常;
• 数据异常（Data Abort）：读取数据失败;
• 快速中断异常（FIQ）：快速中断要比普通中断响应速度要快一些；
• 外部中断异常（IRQ）：普通中断;
• 预取异常（Prefetch Abort）：预取指令失败, ARM 在执行指令的过程中, 要先去预取指令准备执行，如果预取指令失败, 就会产生该异常；
• 软中断异常（SWI）：软件中需要去打断处理器工作, 可以使用软中断来执行 ;
• 未定义指令异常（Undefined Instruction）：处理器无法识别指令的异常, 处理器执行的指令是有规范的，如果尝试执行不符合要求的指令, 就会进入到该异常指令对应的地址中；当异常发生时，分组寄存器R14和SPSR用于保存处理器状态，异常返回时，SPSR内容恢复到SPSR，链接寄存器R14的内容恢复到程序计数器PC。下图中每种异常对应一种内核的工作模式，当然每种异常产生，内核都会进入特定的工作模式；
  
  　　
  
  

异常处理流程：

• 中断响应所做的工作：
  • 保存短点：保存下一将要执行的指令的地址，也就是把这个地址送入堆栈；
    　- 寻找中断入口：根据不同的中断源产生的中断，查找不同的入口地址；
    　- 执行中断处理程序；
    　- 中断返回：执行完中断指令后，就从中断返回到主程序继续执行；

异常向量表

每一个异常发生时，总是从异常向量表开始跳转，所谓的异常向量表，是指由7个异常向量及其处理函数跳转
关系组成的表：

0x00000000: b reset
0x00000004: ldr pc, _undefined_instruction
0x00000008: ldr pc, _software_interrupt
0x00000008: ldr pc, _software_interrupt
0x0000000c: ldr pc, _prefetch_abort
0x00000010: ldr pc, _data_abort
0x00000014: ldr pc, _not_used //保留
0x00000018: ldr pc, _irq
0x0000001c: ldr pc, _fiq
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当一个ARM异常返回时，需要完成如下任务：

• 通用寄存器的恢复；
• 状态寄存器的恢复；
• PC指针的恢复；