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tags: [嵌入式系统, 复习, ARM指令集]
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create time: 2026-06-10 11:11
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# ARM指令集与汇编
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## 概述
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本文档详细讲解ARM指令集体系，包括ARM/Thumb指令集对比、指令格式、核心指令详解、条件码、寻址方式以及汇编程序设计。这是嵌入式系统课程中需要动手实践的重点部分。
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## 正文
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### 1. ARM指令集 vs Thumb指令集
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| 比较维度 | ARM指令集 | Thumb指令集 |
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|----------|-----------|-------------|
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| 指令宽度 | **32位** | **16位** |
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| 功能 | 完整功能 | ARM的子集 |
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| 代码密度 | 低（占用空间大） | 高（占用空间小） |
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| 性能 | 高 | 略低 |
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| 状态标志 | CPSR.T = 0 | CPSR.T = 1 |
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> [!warning] Thumb状态不能执行ARM指令
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> 在Thumb状态下，处理器只能执行16位的Thumb指令。如果需要执行32位ARM指令，必须先切换到ARM状态（通过BX指令）。两种状态不能在同一时刻混合执行。
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### 2. 指令格式
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ARM指令的基本格式为：
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```
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opcode{condition}{S} Rd, operand1, operand2
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```
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| 字段 | 说明 |
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|------|------|
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| opcode | 操作码，如MOV, ADD, LDR |
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| {condition} | 条件码，如EQ, NE, GT（可选） |
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| {S} | 是否影响CPSR标志位（可选） |
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| Rd | 目标寄存器 |
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| operand1 | 第一操作数（通常是寄存器） |
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| operand2 | 第二操作数（灵活，可带移位） |
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```mermaid
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graph LR
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subgraph format["Instruction Format"]
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direction LR
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OP["opcode"] --> CON["condition"] --> S["S flag"] --> RD["Rd"] --> OP1["operand1"] --> OP2["operand2"]
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end
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style OP fill:#4fc3f7
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style CON fill:#81d4fa
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style S fill:#b3e5fc
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style RD fill:#ffcc80
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style OP1 fill:#ffab91
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style OP2 fill:#a5d6a7
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```
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### 3. 桶形移位器（Barrel Shifter）
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ARM指令的一个强大特性：**第二操作数可以在送入ALU之前先进行移位操作**。这意味着一条指令就能完成"移位+运算"，无需额外的移位指令。
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移位类型：
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| 移位操作 | 全称 | 说明 |
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|----------|------|------|
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| LSL | Logical Shift Left | 逻辑左移，低位补0 |
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| LSR | Logical Shift Right | 逻辑右移，高位补0 |
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| ASR | Arithmetic Shift Right | 算术右移，高位补符号位 |
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| ROR | Rotate Right | 循环右移 |
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```arm
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; 示例：利用桶形移位器
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ADD R0, R1, R1, LSL #2 ; R0 = R1 + R1 * 4 = R1 * 5
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SUB R2, R3, R3, LSR #1 ; R2 = R3 - R3/2 = R3/2
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MOV R4, R5, ROR #8 ; R4 = R5循环右移8位
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```
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> [!tip] 桶形移位器的价值
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> 在没有桶形移位器的架构中，`R1 * 5` 需要两条指令：先LSL #2再ADD。ARM用一条指令就完成了，这体现了RISC架构中"简单指令的巧妙组合"的设计哲学。
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### 4. 核心指令详解
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#### 4.1 数据传送指令 MOV
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```arm
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MOV R0, #10 ; R0 = 10（立即数传送）
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MOV R1, R0 ; R1 = R0（寄存器传送）
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MOV R2, R0, LSL #3 ; R2 = R0 << 3（带移位传送）
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```
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**MOV只能在寄存器之间传送数据，不能访问内存！** 这是与LDR的关键区别。
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#### 4.2 加载/存储指令 LDR/STR
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```arm
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LDR R0, [R1] ; 从R1指向的内存地址加载数据到R0
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STR R0, [R1] ; 将R0的值存储到R1指向的内存地址
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LDR R0, [R1, #4] ; 从R1+4地址加载（基址+偏移）
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STR R0, [R1], #4 ; 先存储，再更新R1 = R1 + 4（后索引）
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LDR R0, [R1, #4]! ; 先更新R1 = R1 + 4，再加载（前索引）
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```
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> [!question] MOV R0, #0xFF 和 LDR R0, =0x12345678 有什么区别？
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> `MOV R0, #0xFF` 是真正ARM指令，0xFF是合法的8位立即数（通过循环右移编码）。
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> `LDR R0, =0x12345678` 是**伪指令**，汇编器会将0x12345678放入文字池（literal pool），然后用一条LDR从该地址加载。因为0x12345678无法编码为8位立即数。
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#### 4.3 算术运算指令
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```arm
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ADD R0, R1, R2 ; R0 = R1 + R2
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ADD R0, R1, #5 ; R0 = R1 + 5
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ADDS R0, R1, R2 ; R0 = R1 + R2，并更新CPSR标志位
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SUB R0, R1, R2 ; R0 = R1 - R2
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SUBS R0, R1, #1 ; R0 = R1 - 1，更新标志位
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MUL R0, R1, R2 ; R0 = R1 * R2
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```
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注意带`S`后缀的指令会更新CPSR的N、Z、C、V标志位。
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#### 4.4 比较指令 CMP
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```arm
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CMP R0, R1 ; 比较R0和R1（计算R0-R1，但不保存结果）
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BEQ label ; 如果相等（Z=1），跳转到label
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BNE label ; 如果不相等（Z=0），跳转到label
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```
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CMP本质上是一条**不保存结果的减法指令**，只设置标志位。
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#### 4.5 分支指令 B / BL
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```arm
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B label ; 无条件跳转到label
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BL function ; 跳转到function，同时将返回地址保存到LR
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```
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- **B**：简单跳转，用于循环、条件分支
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- **BL**：带链接的跳转，用于**函数调用**（LR自动保存返回地址）
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#### 4.6 软中断指令 SWI
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```arm
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SWI #0x123456 ; 触发软中断，进入SVC模式
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```
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SWI用于**从用户模式请求操作系统服务**（系统调用）。执行SWI后：
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1. 进入SVC模式
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2. CPSR保存到SPSR_svc
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3. 返回地址保存到LR_svc
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4. PC跳转到向量地址0x00000008
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#### 4.7 批量加载/存储 STMFD / LDMFD
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```arm
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STMFD SP!, {R0-R3, LR} ; 将R0-R3和LR入栈（满递减栈）
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LDMFD SP!, {R0-R3, PC} ; 从栈中恢复R0-R3，并将PC出栈实现返回
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```
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这两个指令常用于**函数入口保存现场**和**函数出口恢复现场**。FD表示Full Descending（满递减栈），是ARM的默认栈类型。
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#### 4.8 状态寄存器读写 MRS / MSR
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```arm
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MRS R0, CPSR ; 将CPSR读入R0
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MSR CPSR_c, R0 ; 将R0写入CPSR的控制位域
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MSR CPSR_f, R0 ; 将R0写入CPSR的标志位域
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```
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MRS/MSR用于在**特权模式下修改CPSR**，例如开关中断：
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```arm
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; 关中断
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MRS R0, CPSR
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ORR R0, R0, #0x80 ; I位（bit7）置1
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MSR CPSR_c, R0
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; 开中断
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MRS R0, R1
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BIC R0, R0, #0x80 ; I位（bit7）清0
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MSR CPSR_c, R0
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```
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#### 4.9 测试等价指令 TEQ
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```arm
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TEQ R0, R1 ; 按位异或（EOR），只设置标志位，不保存结果
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```
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TEQ用于测试两个值是否相等（或测试某些位），与CMP类似但使用异或运算。
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### 5. 条件码
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ARM支持15种条件码，基于CPSR的标志位进行判断：
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| 条件码 | 含义 | 标志位条件 |
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|--------|------|------------|
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| EQ | 相等 | Z=1 |
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| NE | 不相等 | Z=0 |
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| GT | 大于（有符号） | Z=0且N=V |
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| LT | 小于（有符号） | N!=V |
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| GE | 大于等于（有符号） | N=V |
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| LE | 小于等于（有符号） | Z=1或N!=V |
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| HI | 无符号大于 | C=1且Z=0 |
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| LS | 无符号小于等于 | C=0或Z=1 |
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| CS/HS | 无符号大于等于 | C=1 |
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| CC/LO | 无符号小于 | C=0 |
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| PL | 正数或零 | N=0 |
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| MI | 负数 | N=1 |
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| VS | 溢出 | V=1 |
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| VC | 无溢出 | V=0 |
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| AL | 无条件（默认） | 任意 |
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> [!question] CMP R0, #0 后接 BMI label，什么时候会跳转？
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> BMI是"负数"条件跳转。CMP R0, #0 实际上是R0 - 0，结果就是R0本身。如果R0 < 0（最高位为1），N标志位被置位，BMI条件成立，跳转到label。
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### 6. 寻址方式
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| 寻址方式 | 示例 | 说明 |
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|----------|------|------|
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| 立即数寻址 | `MOV R0, #10` | 操作数就在指令中 |
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| 寄存器寻址 | `ADD R0, R1, R2` | 操作数在寄存器中 |
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| 寄存器间接寻址 | `LDR R0, [R1]` | R1中存放的是内存地址 |
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| 基址+偏移寻址 | `LDR R0, [R1, #4]` | R1为基地址，4为偏移量 |
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| 基址+索引寻址 | `LDR R0, [R1, R2]` | R2的值作为索引偏移 |
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### 7. 立即数编码
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ARM指令是32位固定的，立即数编码只占用**12位**（4位旋转量 + 8位立即数值）。规则：
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```
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实际值 = 8位立即数 循环右移 (旋转量 * 2) 位
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```
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这意味着只有**特定的值**才能作为立即数。例如：
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- `#0xFF`：合法，8位全1，旋转0位
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- `#0x100`：合法，`#1`循环右移24位
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- `#0x12345678`：**不合法**，无法用8位循环右移表示
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> [!tip] 立即数合法性判断
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> 判断一个数是否是合法的ARM立即数：将它写成二进制，看是否能通过循环右移偶数位变成8位以内的数。
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### 8. 字对齐与大小端
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**数据宽度**：
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| 类型 | 位数 | 字节数 |
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|------|------|--------|
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| Word（字） | 32位 | 4字节 |
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| Halfword（半字） | 16位 | 2字节 |
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| Byte（字节） | 8位 | 1字节 |
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**对齐要求**：Word访问的地址必须是4的倍数（地址 mod 4 = 0），Halfword访问地址必须是2的倍数。
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**大小端**：
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- **Little-Endian（小端）**：低字节存低地址（ARM常用）
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- **Big-Endian（大端）**：高字节存低地址
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```arm
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; 假设内存地址0x1000存放值 0x12345678
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; 小端模式：
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; 0x1000: 0x78 (最低字节)
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; 0x1001: 0x56
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; 0x1002: 0x34
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; 0x1003: 0x12 (最高字节)
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; 大端模式：
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; 0x1000: 0x12 (最高字节)
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||
; 0x1001: 0x34
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; 0x1002: 0x56
|
||
; 0x1003: 0x78 (最低字节)
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```
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### 9. 完整示例：C if-else 对应的ARM汇编
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以下是C语言if-else语句及其对应的ARM汇编实现：
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```c
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// C代码
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int max(int a, int b) {
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if (a > b)
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return a;
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else
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return b;
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}
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```
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```arm
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; ARM汇编实现
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max:
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CMP R0, R1 ; 比较a和b（R0-R1，设置标志位）
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MOVGT R0, R0 ; 如果a > b（GT条件成立），R0保持不变
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MOVLE R0, R1 ; 如果a <= b（LE条件成立），R0 = b
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BX LR ; 返回，LR中保存了调用者的返回地址
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```
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更高效的写法：
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```arm
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; 优化版本：只用两条核心指令
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max:
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CMP R0, R1 ; 比较a和b
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MOVLT R0, R1 ; 如果a < b，则R0 = b
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BX LR ; 返回
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```
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> [!question] 为什么优化版本只判断了LT一种情况？
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> 因为如果a >= b，R0的值本来就是a，不需要任何操作。只有当a < b时才需要将b写入R0。这体现了"条件执行"的强大——ARM的每条指令都可以条件执行，避免了不必要的跳转。
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## 关联笔记
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- [[嵌入式系统/试题册/index|试题册索引]]
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