ARM指令學(xué)習(xí)筆記
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參考----------<百度>"arm百度百科"，"NDS百度百科"
本文引用地址：http://2s4d.com/article/201611/316807.htm接下來就是對arm指令的學(xué)習(xí)。
因?yàn)橛羞^前面8086指令的學(xué)習(xí)，并且也寫過像高精度計(jì)算這樣的匯編程序，看arm指
心里面老在比較這兩套指令。
arm7TDMI(-S)指令系統(tǒng)有兩套指令集，分別是32位的Arm指令集和16位的thumb指令集。簡單點(diǎn)說：arm支持arm內(nèi)核的所有特點(diǎn)，具有高效、快速的特點(diǎn)；而thumb指令集靈活、小巧。二者可以互相調(diào)用，Thumb指令集可以看做是Arm的壓縮形式的子集，是針對代碼的密度問題而提出的，Thumb指令都有對應(yīng)的Arm指令，但卻不是一個完整的系統(tǒng)，例如：Thumb指令集沒有協(xié)處理器指令,信號量指令以及訪問CPSR或SPSR的指令,沒有乘加指令及64位乘法指令等,且指令的第二操作數(shù)受到限制;除了跳轉(zhuǎn)指令B有條件執(zhí)行功能外,其它指令基本為無條件執(zhí)行.,等等。不一一敘述。而Arm指令集出了具有很多Thumb沒有的功能外，它最大的特點(diǎn)就是：高效。
Arm的寄存器是37個，包括
31generalregisters（Rxx）
6status registers(xPSR)
對這37個寄存器的詳細(xì)描述我們可以從nocash.emubase.de這個網(wǎng)站上得到。
學(xué)習(xí)arm指令，最先接觸的是尋址指令。
Arm尋址指令可分為九類：
Arm指令 80x86中有嗎？
1.寄存器尋址；
2.立即尋址；
3.寄存器移位尋址； 無
4.寄存器間接尋址；
5..基址尋址；
6.多寄存器尋址； 無
7.堆棧尋址； 無
8.塊拷貝尋址； 無
9.相對尋址。
可以看到arm尋址指令里面有個很大的特色是它的寄存器移位尋址,即第二個操作數(shù)在與第一個操作數(shù)結(jié)合之前可以選擇進(jìn)行移位操作，例如：MOVR0,R2,LSL#3。而在80x86指令中這得要三步走：一次賦值(否則影響尋址變量的值)、一次移位、一次尋址。不僅帶來了視覺上的不便，而且給書寫帶來了麻煩(更容易出錯)。另外，Arm指令還可以進(jìn)行多寄存器尋址，無疑簡化了操作(具體點(diǎn)講，就是少寫很多"LD""ST")。還可以看到我們在arm指令中只需加個"!"就可以決定中間值是否保留。更加方便的是我們可以自由選擇變址前后指針的變化，例如塊拷貝尋址中就有四種：STMIA,STMIB,STMDA,STMDB.連遞減還是遞增，先變址還是先復(fù)制，Arm都給你預(yù)先設(shè)計(jì)好了，不能不說它周全，這些都是80x86里沒有的，極大地方便了程序員的程序設(shè)計(jì)。
順帶說一下其另一個便捷之處，加載/裝填數(shù)據(jù)時，可以在命令后加H/B來表示對半字/字節(jié)的數(shù)據(jù)操作，默認(rèn)情況下是字。并且ARM可以實(shí)現(xiàn)一組寄存器和一塊連續(xù)內(nèi)存之間傳送數(shù)據(jù)，如LDMIA和STMIA指令。
看完尋址，接下來才是Arm指令的重點(diǎn)，
Arm指令的基本格式為：
————————arm的32偽指令二進(jìn)制格式
其中<>內(nèi)的項(xiàng)是必須的，而{}內(nèi)的項(xiàng)是可選的。
Opcode:指令助記符
Cond：執(zhí)行條件
S:是否影響cpsr寄存器的值
Rd:目標(biāo)寄存器
Rn：第一個操作數(shù)的寄存器
Oprand2：第二個操作數(shù)
ARM指令可以分為6大類
(1) 跳轉(zhuǎn)指令 B、BL、BLX、BX
(2)數(shù)據(jù)處理指令 數(shù)據(jù)傳送算術(shù)邏輯運(yùn)算比較
(3)程序狀態(tài)寄存器傳輸指令
(4)load/store指令
(5)協(xié)處理指令
(6)異常中斷指令
可以看到
MOVE rcra
CMP rarb
JG NEXT
MOVE rcrb
NEXT
..............
而在arm中可以很方便地寫成
MOVE rcra
CMP rarb
MOVECC rcrb
靈活運(yùn)用第二個操作數(shù)還能大大提高代碼的效率，例如我們要將r1寄存器中的數(shù)乘以9,可以在arm中很方便地寫成
ADD R1,R1,R1,LSL#3
換成80x86，那就是一堆步驟了
MOVE R2,R1
SHL R2,3
ADD R1,R2
就是說arm的指令更人性化，加上后來對arm偽指令的學(xué)習(xí)，我個人覺得arm指令集是匯編中的高級語言了。
在ARM中乘法操作可以用于任意兩個寄存器結(jié)果可以保存到任意寄存器，而80x86則需要先將被乘數(shù)保存于AL/AX中再做乘法。并且高位和地位還要分開保存至AX/AL和DX/AH中，麻煩！
ARM的中斷指令有：
(1)復(fù)位異常
(2)未定義指令異常
(3)軟件中斷異常
(4)預(yù)取指中斷異常
(5)數(shù)據(jù)中止異常
(6)中斷請求異常
(7)快速中斷（FIQ）請求異常
種類繁多學(xué)起來很頭疼，不像80x86從頭到尾就是INT中斷那樣清爽。中斷這塊本人不甚明白，還需繼續(xù)努力學(xué)習(xí)，
接下來的學(xué)習(xí)就到了偽指令。首先偽指令不是ARM指令集中的指令，只是為了編程方便編譯器定義了偽指令，使用時可以像其他ARM指令一樣使用，但在編譯時這些指令會被等效的ARM指令代替。雖說有些偽指令只是一些極其簡單的替換，但卻極大地方便我們編程。可以說它是以它是一種特殊的助記符。
對于偽指令的學(xué)習(xí)也只是概念性的，沒法深刻，很多指令雖然知道意思但完全不知道哪兒用的著。有待今后的時間吧。
總的來說，ARM指令有一下幾種
1.符號定義偽指令
全局變量聲明：GBLA、GBLL和GBLS。
局部變量聲明：LCLA、LCLL和LCLS。
變量賦值：SETA、SETL和SETS。
為一個通用寄存器列表定義名稱：RLIST。
為一個協(xié)處理器的寄存器定義名稱：CN。
為一個協(xié)處理定義名稱：CP。
為一個VFP寄存器定義名稱：DN和SN。
為一個FPA浮點(diǎn)寄存器定義名稱：FN。
2.數(shù)據(jù)定義偽指令
聲明一個文字池：LTORG。
定義一個結(jié)構(gòu)化的內(nèi)存表的首地址：MAP。
定義結(jié)構(gòu)化內(nèi)存表中的一個數(shù)據(jù)域：FIELD。
分配一塊內(nèi)存空間，并用0初始化：SPACE。
分配一段字節(jié)的內(nèi)存單元，并用指定的數(shù)據(jù)初始化：DCB。
分配一段字的內(nèi)存單元，并用指令的數(shù)據(jù)初始化：DCD和DCDU。
分配一段字的內(nèi)存單元，將每個單元的內(nèi)容初始化為該單元相對于靜態(tài)基址寄存器的偏移量：DCDO。
分配一段雙字的內(nèi)存單元，并用雙精度的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)初始化：DCFD和DCFDU。
分配一段字的內(nèi)存單元，并用單精度的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)初始化：DCFS和DCFSU。
分配一段字的內(nèi)存單元，并用單精度的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)初始化，指定內(nèi)存單元存放的是代碼，而不是數(shù)據(jù)：DCI。
分配一段雙字的內(nèi)存單元，并用64位整數(shù)數(shù)據(jù)初始化：DCQ和DCQU。
分配一段半字的內(nèi)存單元，并用指定的數(shù)據(jù)初始化：DCW和DCWU。
斷言錯誤：ASSERT。這個指令比較神奇，可以在程序首寫一些諸如ASSERTtop<>temp的斷言錯誤指令，在匯編編譯器對匯編程序的第二遍掃描中，如果其中
ASSERT條件不成立，ASSERT偽指令將報(bào)告該錯誤信息，從而減少錯誤。有點(diǎn)像C++中try和catch。
3.匯編控制偽指令/宏偽指令
匯編控制偽指令用于條件匯編、宏定義、重復(fù)匯編控制等。該類偽指令如下：
條件匯編控制：IF、ELSE和ENDIF
宏定義：MACRO和MEND
重復(fù)匯編：WHILE及WEND
這些就是它有點(diǎn)像高級語言的地方，可以用偽指令實(shí)現(xiàn)某些高級語句。其實(shí)高級語言不就是一個個匯編指令的打包嗎？大同小異。
值得提及的是MACRO和MEND，這個東西感覺就是C中的#define，很強(qiáng)大。
其偽指令格式：
MACRO
{$label}macroname{$parameter}{$parameter}…
其中：$label宏指令被展開時，label可被替換成相應(yīng)的符號，通常為一個標(biāo)號在一個 符號前使用$表示被匯編時將使用相應(yīng)的值替代$后的符號。
macroname所定義的宏的名稱。
$parameter宏指令的參數(shù)。當(dāng)宏指令被展開時將被替換成相應(yīng)的值，類似于函數(shù) 中的形式參數(shù)。
可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的傳遞??！這種偽指令讓人看上去就有想去嘗試使用的沖動，以后一定會有機(jī)會的！
這里簡單假想下使用：
C語言中：#definebigger(a,b)(a>b)
可以寫成(可能會有錯，僅僅嘗試一下而已):
MACRO
$labelbigger$a,$b
$label
;GL1為一個定義的全局變量
CMP $a,$b
MOVEGT GL1,1
MOVELE GL1,1
MEND
調(diào)用testbiggera,b
然后在GL1中得到大小結(jié)果
當(dāng)然我們可以直接比較，這里只是為了演示一下。
4.雜項(xiàng)偽指令
雜項(xiàng)偽指令在匯編編程設(shè)計(jì)較為常用，如段定義偽指令，入口點(diǎn)設(shè)置偽指令，包含 文件偽指令，標(biāo)號導(dǎo)出或引入聲明等，該類偽指令如下：
邊界對齊：ALIGN。
段定義：AREA。
指令集定義：CODE16和CODE32。
匯編結(jié)束：END。
程序入口：ENTRY。
常量定義：EQU。
聲明一個符號可以被其它文件引用：EXPORT和GLORBAL。
聲明一個外部符號：IMPORT和EXTERN。
包含文件：GET和INCLUDE。
包含不被匯編的文件：INCBIN。
保留符號表中的局部符號：KEEP。
禁止浮點(diǎn)指令：NOFP。
指示兩段之間的依賴關(guān)系：REQUIRE。
堆棧8字節(jié)對準(zhǔn)：PEQUIRE8和PRESERVE8。
給特定的寄存器命名：RN。
標(biāo)記局部標(biāo)號使用范圍的界限：ROUT。
最后一塊是C與匯編混合編程。
(1)c中內(nèi)嵌匯編。曾今看過個故事：一個物理學(xué)家寫一個模擬天體運(yùn)行的程序，分別從算法和指令兩方面經(jīng)行優(yōu)化，用了一個月的時間將一個原本要幾年才能出結(jié)果的程序縮短到十幾分鐘。這其中有個很重要的一步，就是將某些重用性很大的高級語言程序塊用匯編語言直接書寫。大大縮短了程序運(yùn)行的極限時間。曾今也好奇過，高級語言里面怎么去內(nèi)嵌匯編？
_asm
{
指令[;指令]
...
[指令]
}
內(nèi)嵌匯編程序?qū)拇嫫?、常量、?biāo)號等有很多限制，就不多說了。
(2)匯編中內(nèi)嵌c語言程序
(3)C與匯編互相調(diào)用
在學(xué)習(xí)ARM指令的過程中，遇到過很多問題，第一次碰到往往非常不解，還有些個該注意的地方，當(dāng)然了，問題和需呀注意的地方遠(yuǎn)不止這些。這些只是個人覺得一些比較典型的，寫在這里與諸位分享：
1.＃immed_8r常數(shù)表達(dá)式時“該常數(shù)必須對應(yīng)8位位圖，即常數(shù)是由一個8位的常數(shù)循環(huán)移位偶數(shù)位得到的。”
其意思是這樣：＃immed_8r在芯片處理時表示一個32位數(shù)，但是它是由一個8位數(shù)（比如：01011010，即0x5A）通過循環(huán)移位偶數(shù)位得到（10000000000000000000000000010110，就是0x5A通過循環(huán)右移2位（偶數(shù)位）的到的）。
而10100000000000000000000000010110，就不符合這樣的規(guī)定，編譯時一定出錯。因?yàn)槟憧赡芡ㄟ^將10110101循環(huán)右移位得到它，但是不可能通過循環(huán)移位偶數(shù)位得到。
10110000000000000000000000010110，也不符合這樣的規(guī)定，很明顯：101101011有9位。
2.什么叫帶符號擴(kuò)展.
當(dāng)從16位向32位賦值時，若選擇無符號擴(kuò)展，那高位補(bǔ)零。選擇有符號擴(kuò)展，那32中的16位按照16位最高位補(bǔ)齊。
例如1101010110101010------->11111111111111111101010110101010
0101010110101010------->000000000000000101010110101010
關(guān)于為什么這樣補(bǔ)，可以參照補(bǔ)碼定義，這里介紹一種簡單的補(bǔ)碼計(jì)算方法：
N位絕對值為k的數(shù)的補(bǔ)碼為：2^n-k.比那個取反加一得來得清爽一點(diǎn)。
3.我們說有四種類型的堆棧尋址方式，LDMFA，STMFA,LDMEA,STMEA。
注意F表示full,E表示empty,A表示after，B表示before。
我們假設(shè)：在C語言中stack[]為堆棧數(shù)組，top為堆的頂指針。為方便理解。我用c語言描述了一下。
堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，按先進(jìn)后出（FirstInLastOut，F(xiàn)ILO）的方式工作，使用一個稱作堆棧指針的專用寄存器指示當(dāng)前的操作位置，堆棧指針總是指向棧頂。
當(dāng)堆棧指針指向最后壓入堆棧的數(shù)據(jù)時，稱為滿堆棧（FullStack），而當(dāng)堆棧指針指向下一個將要放入數(shù)據(jù)的空位置時，稱為空堆棧（EmptyStack）。
同時，根據(jù)堆棧的生成方式，又可以分為遞增堆棧（AscendingStack）和遞減堆棧（DecendingStack），當(dāng)堆棧由低地址向高地址生成時，稱為遞增堆棧，當(dāng)堆棧由高地址向低地址生成時，稱為遞減堆棧。這樣就有四種類型的堆棧工作方式，ARM微處理器支持這四種類型的堆棧工作方式，即：
◎Fulldescending滿遞減堆棧
堆棧首部是高地址，堆棧向低地址增長。棧指針總是指向堆棧最后一個元素（最后一個元素是最后壓入的數(shù)據(jù)）。
ARM-Thumb過程調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)和ARM、ThumbC/C++編譯器總是使用Fulldescending類型堆棧。
C語言表示：stack[--top]=value
◎Fullascending滿遞增堆棧
堆棧首部是低地址，堆棧向高地址增長。棧指針總是指向堆棧最后一個元素（最后一個元素是最后壓入的數(shù)據(jù)）。
C語言表示：stack[top--]=value
◎Emptydescending空遞減堆棧
堆棧首部是低地址，堆棧向高地址增長。棧指針總是指向下一個將要放入數(shù)據(jù)的空位置。
C語言表示：stack[++top]=value
◎Emptyascending空遞增堆棧
堆棧首部是高地址，堆棧向低地址增長。棧指針總是指向下一個將要放入數(shù)據(jù)的空位置。
操作堆棧的匯編指令
C語言表示：stack[top++]=value
4.算術(shù)位移/邏輯位移/循環(huán)位移
算術(shù)位移，邏輯位移邏輯右移最高位補(bǔ)0,最低位進(jìn)入CF,相當(dāng)于每移一位除以2,一般對于無符號數(shù)使用 如:133/8=16余5 MOVAL,10000101B MOVCL,03H SHRAL,CL AL=10H=16 算術(shù)右移最高位(即符號位)保持不變,而不是補(bǔ)0最低位進(jìn)入CF.相當(dāng)于每移一位除2,一般對于有符號數(shù)使用8/8 MOVAL,10000000B MOVCL,03H SARAL,CL AL=0F0H=-16
----------分別對應(yīng)邏輯左移、邏輯右移、算術(shù)右移、循環(huán)右移
5.關(guān)于ARM的B,BL跳轉(zhuǎn)指令
假設(shè)跳轉(zhuǎn)指令處的地址是A,跳轉(zhuǎn)目標(biāo)處的地址是B.
B,BL指令保存的是偏移地址,這個地址的計(jì)算方法是:
1.B-(A+8).A+8是因?yàn)锳RM的流水線使得指令執(zhí)行到A處時,PC實(shí)際的值是A+8.2.第一步得到的值是4的倍數(shù),因?yàn)锳RM的指令是4對齊的,即最低兩位為00.于是將這個值右移兩位.
3.得到最終偏移
執(zhí)行時:
1.取出偏移
2.左移兩位
3.加入PC,這時PC的值剛好為目標(biāo)處的地址值,即目標(biāo)地址指令進(jìn)入取指,流水線前兩級被清空
但是為什么是減去8呢？這因?yàn)锳RM7是三級流水線。
那什么三級流水線是什么？
PC代表程序計(jì)數(shù)器，流水線使用三個階段，因此指令分為三個階段執(zhí)行：1.取指（從存儲器裝載一條指令）；2.譯碼（識別將要被執(zhí)行的指令）；3.執(zhí)行（處理指令并將結(jié)果寫回寄存器）。即執(zhí)行時取指已經(jīng)提前兩個字了，即8個字節(jié)。
6.什么是軟中斷？
軟中斷是利用硬件中斷的概念，用軟件方式進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)宏觀上的異步執(zhí)行效果。很多情況下，軟中斷和"信號"有些類似，同時，軟中斷又是和硬中斷相對應(yīng)的，"硬中斷是外部設(shè)備對CPU的中斷"，"軟中斷通常是硬中斷服務(wù)程序?qū)?nèi)核的中斷"，"信號則是由內(nèi)核（或其他進(jìn)程）對某個進(jìn)程的中斷"（《Linux內(nèi)核源代碼情景分析》第三章）?！ ≤浿袛嗟囊环N典型應(yīng)用就是所謂的"下半部"（bottomhalf），它的得名來自于將硬件中斷處理分離成"上半部"和"下半部"兩個階段的機(jī)制：上半部在屏蔽中斷的上下文中運(yùn)行，用于完成關(guān)鍵性的處理動作；而下半部則相對來說并不是非常緊急的，通常還是比較耗時的，因此由系統(tǒng)自行安排運(yùn)行時機(jī)，不在中斷服務(wù)上下文中執(zhí)行。bottomhalf的應(yīng)用也是激勵內(nèi)核發(fā)展出目前的軟中斷機(jī)制的原因?！ ≤浿袛嗍莑inux系統(tǒng)原“底半處理”的升級，在原有的基礎(chǔ)上發(fā)展的新的處理方式，以適應(yīng)多cpu、多線程的軟中斷處理。 一般來說，軟中斷是由內(nèi)核機(jī)制的觸發(fā)事件引起的（例如進(jìn)程運(yùn)行超時），但是不可忽視有大量的軟中斷也是由于和硬件有關(guān)的中斷引起的，例如當(dāng)打印機(jī)端口產(chǎn)生一個硬件中斷時，會通知和硬件相關(guān)的硬中斷，硬中斷就會產(chǎn)生一個軟中斷并送到操作系統(tǒng)內(nèi)核里，這樣內(nèi)核就會根據(jù)這個軟中斷喚醒睡眠在打印機(jī)任務(wù)隊(duì)列中的處理進(jìn)程。 在網(wǎng)絡(luò)編程中,軟中斷用來引發(fā)協(xié)議層代碼的執(zhí)行
7.關(guān)于程序狀態(tài)的切換
程序不能通過修改直接修改CPSR中的T控制位直接將程序狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)，必須通過BX等指令完成程序狀態(tài)的切換
8.對于LDMIA指令，Rn的最終值是加載的值，而不是增加后的地址
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