ARM 指令集概要

本文将介绍 ARM 指令的基本概念，包括指令的编码格式、指令的条件码、指令的寻址方式等。

1. ARM 指令集分类

ARM32 指令字长固定为 32 位，其编码格式如下：

31...28	27...25	24...21	20	19...16	15...12	11...0
cond	001	opcode	S	Rn	Rd	shift_operand

其中的符号说明如下：

• cond：条件编码；
• opcode：操作编码；
• S：决定指令的操作是否影响 CPSR 的值；
• Rn：包含第一个操作数的寄存器编码；
• Rd：目标寄存器的编码；
• shifter_operand：第二个操作数。

一条指令的语法格式如下：

<opcode>{<cond>}{S} <Rd>, <Rn>, <shifter_operand>

2. ARM 指令条件码

大多数 ARM 指令都可以有条件地执行，也就是根据CPSR中的条件标志位决定是否执行该指令。当条件满足时执行该指令，条件不满足时该指令被当作一条NOP指令，这时处理器进行判断中断请求等操作，然后转向下一条指令。

ARM 的条件编码域有 4 位，因此有 16 个条件码，具体编码如下：

条件码	助记符	含义	CPSR 条件标志位
0000	EQ	相等	Z=1
0001	NE	不相等	Z=0
0010	CS/HS	无符号数大于等于	C=1
0011	CC/LO	无符号数小于	C=0
0100	MI	负数	N=1
0101	PL	非负数	N=0
0110	VS	上溢出	V=1
0111	VC	没有上溢出	V=0
1000	HI	无符号数大于	C=1 且 Z=0
1001	LS	无符号数小于等于	C=0 或 Z=1
1010	GE	有符号数大于等于	N=1 且 V=1 或 N=0 且 V=0
1011	LT	有符号数小于	N=1 且 V=0 或 N=0 且 V=1
1100	GT	有符号数大于	Z=0 且 N=V
1101	LE	有符号数小于等于	Z=1 或 N!=V
1110	AL	无条件执行
1111	NV	v5 以上版本无条件执行

3. ARM 数据处理指令寻址方式

通常数据处理指令的格式为：

<opcode>{<cond>}{S} <Rd>, <Rn>, <shifter_operand>

其中 <shifter_operand> 通常有下面 3 中格式：

立即寻址

这 12 位并非直接表示一个 12 位的整数，而是被分为两个部分：

• 高 4 位：移位值 rotate_value，用于表示循环移位的次数；
• 低 8 位：立即数 immediate_value，用于表示待移位的数值。

最终的操作数由该 8 位的立即数循环右移偶位数得到，循环右移的次数由该 4 位的移位值给出，即：

immediate = ue(immediate_value) ROR (2 * rotate_value)

可以注意到，2 * rotate_value 可以是 0-30 之间的偶数值，这使得该 12 位的立即寻址可以覆盖较广的数据范围。但是，并非所有的 32 位整数都能使用这种方法表示，如 0x101 与 0xFF1 就不能使用这种方法表示，此时，汇编器会结合其他指令来实现这一功能。

一个合法的 32 位立即数可能有几种表示方法。一般情况下，ARM 汇编器会按照以下规则来生成立即数的指令编码：

• 当立即数在 0x00 到 0xFF 范围中时，直接使用 immediate_value 进行表示；
• 在其他情况下，使用 rotate_value 数值最小的编码方式。

寄存器寻址

在这种方式下，直接由 <shifter_operand> 字段给出寄存器地址，相应的寄存器内容即为操作数。

寄存器偏移寻址

在这种方式下，需要从<shifter_operand> 字段中解析出寄存器地址、移位操作编码、移位操作的次数，将寄存器中的数值进行移位后再进行后续的运算。

移位方式有以下几种：

• 3b00x：LSL，逻辑左移；
• 3b01x：LSR，逻辑右移；
• 3b10x：ASR，算数右移；
• 3b11x：ROR，循环右移；
• 8b00000110：RRX，扩展的循环右移。

移位位数由立即数（3bxx0）或者寄存器（3bxx1）给出，即以下两种方式：

立即数方式
操作数的基本格式为 <Rm>,<shift_mode> #<shift_imm>，指令的编码格式为：

31...28	27...25	24...21	20	19...16	15...12	11...7	6...4	3...0
cond	000	opcode	S	Rn	Rd	shift_imm	xx0	Rm

在这种方式下，生成操作数的方法为：取出 Rm 寄存器中的数值，进行移位操作，移位的次数为 shift_imm。

寄存器方式
操作数的基本格式为 <Rm>,<shift_mode> <Rs>，指令的编码格式为：

31...28	27...25	24...21	20	19...16	15...12	11...8	7...4	3...0
cond	000	opcode	S	Rn	Rd	Rs	0xx1	Rm

在这种方式下，生成操作数的方法为：取出 Rm 寄存器中的数值，进行移位操作，移位的次数为 Rs 寄存器中的数值。

4. ARM 内存访问寻址方式

Load 指令用于从内存中读取数据放入寄存器中；Store 指令用于将寄存器中的数据保存到内存中。ARM 有两大类 Load/Store 指令：一类用于操作 32 位的字类型数据以及 8 位无符号的字节类型数据；另一类用于操作 16 位半字类型的数据以及 8 位的有符号字节类型的数据。

各种类型的 Load/Store 指令的寻址方式由两部分组成：一部分为一个的基址寄存器；另一部分为一个地址偏移量。基址寄存器可以为任一个通用寄存器；地址偏移量可以有以下 3 种格式：

• 立即数；
• 寄存器；
• 寄存器偏移。

地址的计算方法有 3 种方式：

• 偏移量方法。这种方法中，基址寄存器中的值和地址偏移量做加减运算，生成操作数的地址。
• 事先更新方法。这种方法中，基址寄存器中的值和地址偏移量做加减运算，生成操作数的地址。指令执行后，这个生成的操作数地址被写入基址寄存器。
• 事后更新方法。这种方法中，指令将基址寄存器的值作为操作数的地址执行内存访问。基址寄存器中的值和地址偏移量做加减运算，生成操作数的地址。指令执行后，这个生成的操作数地址被写入基址寄存器。

内存访问指令的基本格式为：

31...28	27 26	25	24	23	22	21	20	19...16	15...12	11...0
cond	0x	I	P	B	x	W	L	Rn	Rd	address_mode