【arm】arm的汇编指令及特点

###Date: 2018-7-15

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指令和伪指令：前者编译后会生成一串1和0组成的机器码，后者帮助前者进行编译过程，不会生成机器码。

ARM汇编特点1：LDR/STR架构
ARM采用RISC架构，CPU本身不能直接读取内存，而需要先将内存中内容加载入CPU中通用寄存器中才能被CPU处理。
ldr（load register）指令将内存内容加载入通用寄存器。
str（store register）指令将寄存器内容存入内存空间中。
ldr/str组合用来实现 ARM CPU和内存数据交换  

(这两个指令只能在寄存器和内存之间进行)

 

ARM汇编特点2：8种寻址方式

寄存器寻址                mov r1, r2
立即寻址  　　　　　　mov r0, #0xFF00

寄存器移位寻址      mov r0, r1, lsl #3（r1先左移3位再赋给r0）
寄存器间接寻址      ldr r1, [r2]  （r2加一个[]后表示一个内存地址）
基址变址寻址         ldr r1, [r2, #4]（r2加4的内存地址）
多寄存器寻址         ldmia r1!, {r2-r7, r12}（r1有初始值,将r2到r7,r12的值传入相应的地址,每次传输之后递增r1指向的存储地址,因为是32位,每次递增的地址应该是4bytes）
堆栈寻址               stmfd sp!, {r2-r7, lr}

相对寻址               beq flag
　　　　flag:      （这是个标号）

ARM汇编特点3：指令后缀

同一指令经常附带不同后缀，变成不同的指令。经常使用的后缀有：
B（byte）功能不变，操作长度变为8位
H（half word）功能不变，长度变为16位
S（signed）功能不变，操作数变为有符号
如 ldr ldrb ldrh ldrsb ldrsh
S（S标志）功能不变，影响CPSR标志位
如 mov和movs movs r0, #0  　　（mov不会改变cpsr中的标志位，要让标志位变化需使用movs)

ARM汇编特点4：条件执行后缀

如果后缀条件满足才执行。
例如： 
mov r0, r1     //r0 = r1 
moveq r0,r1  // if(eq) r0 =r1（上一条指令如果使cpsr中的标志位置或则进行这条语句）
条件后缀执行注意：条件后缀是否成立，不是取决于本句代码，而是取决于这句代码之前的代码运行后的结果。

ARM汇编特点5：多级指令流水线

 

n级就会有PC-2^n

 

数据处理指令

数据传输指令

mov （move）

mov r1, r0 　　　　@两个寄存器之间数据传递 r1 = r0
mov r1, #0xFF 　　@将立即数赋值给寄存器 r1 = 0xFF
mvn 用法和mov一样，区别是mvn是按位取反后传递

例如：r1 = 0xF0,执行mov r0, r1 后 r0 = 0xF0
　　　　　　　　 执行mvn r0, r1 后 r0 = 0x0F
算术指令

add 加法指令add r2, r0, r1 　　　　@(r2 = r0+r1) 
sub 减法指令sub r2, r0, r1 　　　　@(r2 = r0 - r1) 
rsb 逆向减法指令 rsb r2,r0,r1  　　 @(r1 = r1 - r0)
adc 带进位加法指令

sbc 带借位减法指令 
rsc 带借位的逆向减法指令

逻辑指令

and 逻辑与 
orr 逻辑或         ORR   R0，R0，＃3             @r0先与3相或，在把值赋给r0
eor 逻辑异或 
bic 位清除指令 (bic r0, r1, #0x1F @将r1中的数的bit0到bit4清零后赋值给r0 )

比较指令

cmp 　　cmp r0, r1 　　@(r0 - r1 = 0？） 
cmn 　　cmn r0, r1 　　@(r0 + r1 = 0？) 
tst 　　  tst r0, 0x0f 　 @测试r0的bit0-bit3是否全为0 
teq     　teq r0,r1  　　 @P = r0 EOR r1 
比较指令不用后加S 就能影响CPSR中的标志位。

乘法指令

mvl mla umull umlal smull smlal 都不常用，这里只作为知识点罗列。

前导零计数

clz 计算返回操作数二进制编码中第一个1前0的个数

CPSR访问指令(不可用mov访问)

mrs & msr

mrs 用来读psr (cpsr&spsr) 
msr 用来写psr

mrs r0, cpsr 　　　　将cpsr的值读入到r0中 
……………… 处理r0的值 
msr cpsr, r0 　　　　将r0的值写入到cpsr中

cpsr : 程序状态寄存器，CPU中只有一个，记录程序运行状态 
spsr：CPU中有五个，分别在五种异常模式下，作用是从普通模式进入异常模式时，用来保存之前普通模式下的cpsr的，在返回普通模式时恢复原来的cpsr。

跳转指令

b & bl &bx

b 直接跳转 
bl (branch and link) 跳转前把返回地址存在lr寄存器中，以便返回。 
bx 跳转同时切换到ARM模式，一般用于异常处理的跳转。

访存指令

ldr/srt & ldm/stm & swp

单个字/半字/字节访问 ldr/str 
多字批量访问 ldm/stm 
swp r1, r2, [r0] 内存和寄存器交换指令，将r0所指向内存中的数据写入r1，并将r2中的数据写入到r0所指向的内存。 
swp r1, r1, [r0] 互换（将r0所指向内存中的数据写入第一个r1，将第二个r1中的数据写入到r0所指向的内存。）

软中断指令

swi (software interrupt) 用来实现操作系统中的系统调用。

汇编中的立即数

ARM指令都是32位，除了指令标记和操作标记外，本身只能附带很少位数的立即数，因此立即数有合法和非法之分。

合法立即数：经过任意位数的移位后非零部分可以用8位标识的即为合法立即数（非零部分少于等于8位，0x000000ff 是合法立即数，0x00ff0000是合法立即数，0xf000000f循环移位之后仍然是合法立即数，0x000001ff是非法立即数）

协处理器以及协处理器指令

什么是协处理器

Soc内部另一处理核心，协助CPU实现某些功能，被主CPU调用执行一定的任务。CP15 (cooperation processor)
协处理器和MMU、cache、TLB等处理有关，功能上和操作系统的虚拟地址映射、cache等的管理有关。

协处理器访问指令

mcr & mrc

mrc 用于读取CP15中的寄存器 
mcr 用于写CP15中的寄存器

Rd:ARM的普通寄存器，不能是r15/pc 
Crn:cp15的寄存器，合法值为c0 - c15 
Crm:cp15的寄存器，一般均为c0

举例：

mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0　　　　（查阅cp15协处理器的作用位，存入PC中的都是指令，不可以是内容）

例2：

此例子用于打开mmu（on，所有地址为虚拟地址；off，所有地址为实地址）
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
orr r0, r0, #1
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0

ldm/stm与栈的处理

ldr/str每周期只能访问4个字节内存，如果需要批量读取，写入内存时太慢，这个时候就要用ldm/stm （load register mutiplt / store register mutiplt）

多寄存器访问举例 
stmia sp, {r0-r12}

将r0存入sp指向的内存处，然后地址+4，将r1存入内存，然后地址再+4……直到将r12内容存入内存。
栈类型

空栈：栈指针指向空位，每次存入时可以直接存入然后栈指针移动一格；而取出时需要先移动一格才能取出（用完之后都得移动）
满栈：栈指针指向栈中最后一格数据，每次存入时需要先移动栈指针一格再存入；取出时可以直接取出，然后再移动栈指针（用完之后都得移动）
增栈：栈指针移动时向地址增加的方向移动的栈
减栈：栈指针移动时向地址减小的方向移动的栈

因此有四种栈类型:空增栈，空减栈，满增栈，满减栈。

八种后缀

后缀 意义
ia (increase after) 先传输，再地址+4
ib (increase before) 先地址+4，再传输
da (decrease after) 先传输，再地址-4
db (decreade before) 先地址-4，再传输
fd (full decrease) 满减栈
ed (empty decrease) 空减栈
fa 满增栈
ea 空增栈
操作栈的时候使用相同的后缀，就会避免出错。

！的作用

ldmia r0, {r2-r3} @把r0指向的内存中的数据读入到r2中，然后内存地址+4再将+4后地址中的数据读入到r3中。指令执行完毕后r0中的值不变。 
ldmia r0!, {r2-r3} @把r0指向的内存中的数据读入到r2中，然后内存地址+4再将+4后地址中的数据读入到r3中。指令执行完毕后r0中的值变化(为r3内容的地址)。

感叹号的作用就是r0的值在ldm过程中发生的增加或者减小最后写会到r0中。

^的作用

ldmfd sp!, {r0-r6, pc} 　(操作了八个寄存器)
ldmfd sp!, {r0-r6, pc}^ （此项操作实际操作了9个寄存器，spsr->cpsr）
^：在目标寄存器中有pc时，会同时将spsr写入到cpsr，一般用在异常返回的时候。

 

GNU汇编伪指令

伪指令不是指令，伪指令和指令的根本区别是经过编译后会不会生成机器码。
伪指令的意义在于指导编译过程。
伪指令是和具体的编译器相关的，我们使用gnu工具链，因此学习gnu环境下的汇编伪指令。
GNU汇编中的一些符号

@ 行注释，可以在指令后边也可以在行首 
： 以冒号结束的是标号 
. 点号表示当前指令的地址 
立即数前面加＃或者$，表示这是个立即数

常见的gnu汇编伪指令

伪指令 意义
.globl _start 给_start外部链接属性
.section .text 指定当前为代码段
.ascii .byte .short .long .word .quad .float .string 定义数据
.align 4 以16（2^4）字节内存地址对齐
.balignl 16,0xABCDEF 16字节对齐填充
.equ 类似于C中的宏定义
.end 汇编文件的结束，不加无所谓
.include 头文件包含
.arm或者.code32 声明以下的代码为arm指令不是thumb指令
.thumb或者.code16 声明以下的代码为thumb指令

eg.

.word 0xAABBFF 类似于C语言的 int AAAA = 0xAABBFF;

.align 4 @ 16字节对齐
.align 2 @ 4字节对齐

.balignl 16, 0xABCDEF 对齐+填充，b表示位填充，最后的l表示long，16表示16字节对齐，0xABCDEF表示填充的原料。 
0x00000008 : .balignl 16, 0xABCDEF，
0x0000000C: 0xABCDEF
0x00000010: 下一条指令

 

ldr 大范围的地址加载指令
adr 小范围的地址加载指令
adrl 中等范围的地址加载指令
nop 空操作

ARM中有一个ldr指令，还有一个ldr伪指令。两者的区别： 
ldr r0, #0xFF @ldr指令 
ldr r0, =0xFF @ldr伪指令 涉及到合法/非法立即数，还涉及到ARM文字池
adr 和 ldr的差别： 
- adr编译时会被1条sub或add指令替代，而ldr编译时会被一条mov指令替代或者文字池方式处理； 
- adr总是以PC为基准来表示地址，因此指令本身和运行地址有关，可以用来检测程序当前的运行地址在哪里 
-ldr加载的地址和链接时给定的地址有关，由链接脚本决定。