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嵌入式系统 复习 ARM指令集	2026-06-10 11:11

ARM指令集与汇编

概述

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。

正文

1. ARM指令集 vs Thumb指令集

比较维度	ARM指令集	Thumb指令集
指令宽度	32位	16位
功能	完整功能	ARM的子集
代码密度	低（占用空间大）	高（占用空间小）
性能	高	略低
状态标志	CPSR.T = 0	CPSR.T = 1

[!warning] Thumb状态不能执行ARM指令 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。

2. 指令格式

ARM指令的基本格式为：

opcode{condition}{S} Rd, operand1, operand2

字段	说明
opcode	操作码，如MOV, ADD, LDR
{condition}	条件码，如EQ, NE, GT（可选）
{S}	是否影响CPSR标志位（可选）
Rd	目标寄存器
operand1	第一操作数（通常是寄存器）
operand2	第二操作数（灵活，可带移位）

graph LR
    subgraph format["Instruction Format"]
        direction LR
        OP["opcode"] --> CON["condition"] --> S["S flag"] --> RD["Rd"] --> OP1["operand1"] --> OP2["operand2"]
    end

    style OP fill:#4fc3f7
    style CON fill:#81d4fa
    style S fill:#b3e5fc
    style RD fill:#ffcc80
    style OP1 fill:#ffab91
    style OP2 fill:#a5d6a7

3. 桶形移位器（Barrel Shifter）

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。

移位类型：

移位操作	全称	说明
LSL	Logical Shift Left	逻辑左移，低位补0
LSR	Logical Shift Right	逻辑右移，高位补0
ASR	Arithmetic Shift Right	算术右移，高位补符号位
ROR	Rotate Right	循环右移

; 示例：利用桶形移位器
ADD R0, R1, R1, LSL #2    ; R0 = R1 + R1 * 4 = R1 * 5
SUB R2, R3, R3, LSR #1    ; R2 = R3 - R3/2 = R3/2
MOV R4, R5, ROR #8        ; R4 = R5循环右移8位

[!tip] 桶形移位器的价值 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。

4. 核心指令详解

4.1 数据传送指令 MOV

MOV R0, #10          ; R0 = 10（立即数传送）
MOV R1, R0           ; R1 = R0（寄存器传送）
MOV R2, R0, LSL #3   ; R2 = R0 << 3（带移位传送）

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。

4.2 加载/存储指令 LDR/STR

LDR R0, [R1]         ; 从R1指向的内存地址加载数据到R0
STR R0, [R1]         ; 将R0的值存储到R1指向的内存地址
LDR R0, [R1, #4]     ; 从R1+4地址加载（基址+偏移）
STR R0, [R1], #4     ; 先存储，再更新R1 = R1 + 4（后索引）
LDR R0, [R1, #4]!    ; 先更新R1 = R1 + 4，再加载（前索引）

[!question] MOV R0, #0xFF 和 LDR R0, =0x12345678 有什么区别？ 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）。 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。

4.3 算术运算指令

ADD R0, R1, R2       ; R0 = R1 + R2
ADD R0, R1, #5       ; R0 = R1 + 5
ADDS R0, R1, R2      ; R0 = R1 + R2，并更新CPSR标志位
SUB R0, R1, R2       ; R0 = R1 - R2
SUBS R0, R1, #1      ; R0 = R1 - 1，更新标志位
MUL R0, R1, R2       ; R0 = R1 * R2

注意带S后缀的指令会更新CPSR的N、Z、C、V标志位。

4.4 比较指令 CMP

CMP R0, R1            ; 比较R0和R1（计算R0-R1，但不保存结果）
BEQ label             ; 如果相等（Z=1），跳转到label
BNE label             ; 如果不相等（Z=0），跳转到label

CMP本质上是一条不保存结果的减法指令，只设置标志位。

4.5 分支指令 B / BL

B label               ; 无条件跳转到label
BL function           ; 跳转到function，同时将返回地址保存到LR

• B：简单跳转，用于循环、条件分支
• BL：带链接的跳转，用于函数调用（LR自动保存返回地址）

4.6 软中断指令 SWI

SWI #0x123456         ; 触发软中断，进入SVC模式

SWI用于从用户模式请求操作系统服务（系统调用）。执行SWI后：

1. 进入SVC模式
2. CPSR保存到SPSR_svc
3. 返回地址保存到LR_svc
4. PC跳转到向量地址0x00000008

4.7 批量加载/存储 STMFD / LDMFD

STMFD SP!, {R0-R3, LR}   ; 将R0-R3和LR入栈（满递减栈）
LDMFD SP!, {R0-R3, PC}   ; 从栈中恢复R0-R3，并将PC出栈实现返回

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。

4.8 状态寄存器读写 MRS / MSR

MRS R0, CPSR           ; 将CPSR读入R0
MSR CPSR_c, R0         ; 将R0写入CPSR的控制位域
MSR CPSR_f, R0         ; 将R0写入CPSR的标志位域

MRS/MSR用于在特权模式下修改CPSR，例如开关中断：

; 关中断
MRS R0, CPSR
ORR R0, R0, #0x80       ; I位（bit7）置1
MSR CPSR_c, R0

; 开中断
MRS R0, R1
BIC R0, R0, #0x80       ; I位（bit7）清0
MSR CPSR_c, R0

4.9 测试等价指令 TEQ

TEQ R0, R1              ; 按位异或（EOR），只设置标志位，不保存结果

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。

5. 条件码

ARM支持15种条件码，基于CPSR的标志位进行判断：

条件码	含义	标志位条件
EQ	相等	Z=1
NE	不相等	Z=0
GT	大于（有符号）	Z=0且N=V
LT	小于（有符号）	N!=V
GE	大于等于（有符号）	N=V
LE	小于等于（有符号）	Z=1或N!=V
HI	无符号大于	C=1且Z=0
LS	无符号小于等于	C=0或Z=1
CS/HS	无符号大于等于	C=1
CC/LO	无符号小于	C=0
PL	正数或零	N=0
MI	负数	N=1
VS	溢出	V=1
VC	无溢出	V=0
AL	无条件（默认）	任意

[!question] CMP R0, #0 后接 BMI label，什么时候会跳转？ 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。

6. 寻址方式

寻址方式	示例	说明
立即数寻址	MOV R0, #10	操作数就在指令中
寄存器寻址	ADD R0, R1, R2	操作数在寄存器中
寄存器间接寻址	LDR R0, [R1]	R1中存放的是内存地址
基址+偏移寻址	LDR R0, [R1, #4]	R1为基地址，4为偏移量
基址+索引寻址	LDR R0, [R1, R2]	R2的值作为索引偏移

7. 立即数编码

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：

实际值 = 8位立即数 循环右移 (旋转量 * 2) 位

这意味着只有特定的值才能作为立即数。例如：

• #0xFF：合法，8位全1，旋转0位
• #0x100：合法，#1循环右移24位
• #0x12345678：不合法，无法用8位循环右移表示

[!tip] 立即数合法性判断 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。

8. 字对齐与大小端

数据宽度：

类型	位数	字节数
Word（字）	32位	4字节
Halfword（半字）	16位	2字节
Byte（字节）	8位	1字节

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。

大小端：

• Little-Endian（小端）：低字节存低地址（ARM常用）
• Big-Endian（大端）：高字节存低地址

; 假设内存地址0x1000存放值 0x12345678
; 小端模式：
;   0x1000: 0x78 (最低字节)
;   0x1001: 0x56
;   0x1002: 0x34
;   0x1003: 0x12 (最高字节)

; 大端模式：
;   0x1000: 0x12 (最高字节)
;   0x1001: 0x34
;   0x1002: 0x56
;   0x1003: 0x78 (最低字节)

9. 完整示例：C if-else 对应的ARM汇编

以下是C语言if-else语句及其对应的ARM汇编实现：

// C代码
int max(int a, int b) {
    if (a > b)
        return a;
    else
        return b;
}

; ARM汇编实现
max:
    CMP     R0, R1          ; 比较a和b（R0-R1，设置标志位）
    MOVGT   R0, R0          ; 如果a > b（GT条件成立），R0保持不变
    MOVLE   R0, R1          ; 如果a <= b（LE条件成立），R0 = b
    BX      LR              ; 返回，LR中保存了调用者的返回地址

更高效的写法：

; 优化版本：只用两条核心指令
max:
    CMP     R0, R1          ; 比较a和b
    MOVLT   R0, R1          ; 如果a < b，则R0 = b
    BX      LR              ; 返回

[!question] 为什么优化版本只判断了LT一种情况？ 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。

关联笔记

• 嵌入式系统/试题册/index