1、計算機系統(tǒng)原理,（綜合性強，理論結合應用的一門學科基礎課程）,學科拓展課程,1,第五章 Cortex-M3 指令系統(tǒng),Cortex-M3指令結構 ARM基本尋址方式 Cortex-M3指令集 數(shù)據(jù)處理類指令 跳轉類指令 特殊寄存器訪問 存儲器訪問,2,5.1 Cortex-M3 指令結構,指令與指令系統(tǒng),計算機是通過執(zhí)行程序，由程序指揮計算機的硬件部件協(xié)調工作完成指定的任務。,程序是由一系列有序指令組合而成的，指令是指揮 計算機進行某種操作的命令，指令的集合稱為指令系統(tǒng)。 指令系統(tǒng)集中反映了微處理器的硬件功能和屬性。,不同系列的微處理器，由于其內部結構不同，其指令系統(tǒng)也不同。,下面介紹基于Co

2、rtex-M3內核的Thumb-2指令集中的各類指令。,3,Cortex-M3 指令結構,Cortex-M3指令的格式,Cortex-M3指令書寫格式,s, , ,表示指令的操作碼,表示指令執(zhí)行的條件碼,s用于決定指令執(zhí)行結果是否影響程序狀態(tài)寄存器PSR的值。,表示目的寄存器,表示第一源操作數(shù)，該操作數(shù)必須是寄存器數(shù)。,表示第二源操作數(shù)，該操作數(shù)可以是立即數(shù)、寄存器或寄存器移位。,例如：SUBNES R0,R1,#2,4,Cortex-M3指令結構,指令條件碼,每條指令可包含一個條件碼，只有APSR的值滿足指定的條件時，帶條件碼的指令才能執(zhí)行。,5,Cortex-M3指令結構,指令的第二源操作

3、數(shù),立即數(shù)方式 #constant,constant可以是： 將一個8位的無符號數(shù)值常量，高位用0補到32位后，左移任意位得到的常量。 0 x00XY00XY格式的任意常量 0 xXY00XY00格式的任意常量 0 xXYXYXYXY格式的任意常量,寄存器方式 Rm,例：ADD R1,R2,#0 x12001200,半字重復,例：ADD R1,R2,R3,6,Cortex-M3指令結構,寄存器移位方式 Rm，Shift,微處理器內嵌了桶形移位器，支持數(shù)據(jù)的各種移位操作。,算術右移ASR,Rm，ASR #n,功能：將寄存器Rm中的內容向右移動n位，左端用第31位的值來填充。 算術右移n位相當于將

4、Rm除以2n。,例：MOV R1,R2 ,ASR #2,邏輯左移LSL,Rm，LSL #n,功能：將寄存器Rm中的內容向左移動n位，低位用0填充。 邏輯左移n位相當于將無符號數(shù)據(jù)做乘以2n 的操作。,例：MOV R1,R2 ,LSL #1,7,Cortex-M3指令結構,邏輯右移LSR,Rm，LSR #n,功能：將寄存器Rm中的內容向右移動n位，最高位用0填充。 邏輯右移n位相當于將無符號數(shù)據(jù)做除以2n 的操作。,例：MOV R1,R2 ,LSR #1,循環(huán)右移ROR,Rm，ROR #n,功能：將寄存器Rm中的內容循環(huán)右移動n位，左端用右端移出的 位填充。,例：MOV R1,R2 ,ROR #

5、2,帶擴展的循環(huán)右移ROR,Rm，RRX,功能：將寄存器Rm中內容和C標志位構成33位數(shù)據(jù)組成的一個環(huán)， 向右移一位；C標志位移入最高位，最低位移入C標志位。,8,指令寬度選擇,Cortex-M3指令結構,Thumb2指令集中有許多指令都可以產生16位編碼或32位編碼。對于這類指令，可使用某種指令寬度后綴來強制指定特定的指令寬度。,指令寬度后綴,后綴.W：強制制定指令產生32位編碼,后綴.N：強制制定指令產生16位編碼,例：ADDS.N R1,R2,#2 ；16位Thumb指令,ADDS.W R1,R2,#2 ；32位Thumb指令,9,5.2 ARM基本尋址方式,尋址方式：指處理器根據(jù)指令中

6、給出的數(shù)據(jù)地址信息，找出操作數(shù)的物理地址，實現(xiàn)對操作數(shù)的訪問。,指令中操作數(shù)給出的形式不同有多種尋址方式：,立即尋址,寄存器尋址,寄存器移位尋址,寄存器間接尋址,基址變址尋址,多寄存器尋址,相對尋址,堆棧尋址,尋址方式,10,基本尋址方式,立即尋址,立即尋址又稱為立即數(shù)尋址，指令中直接給出操作數(shù)，只要取出指令也就取到了操作數(shù)，這個操作數(shù)稱為立即數(shù)。,例如： MOV R0, #2 ; R02 ADD R0,R0,#100 ; R0R0+100,以“#”為前綴的操作數(shù)即為立即數(shù)。 十六進制的立即數(shù)：在“#”后加上“0 x”或“ R02 ADD R0,R0,#100 ; R0R0+100,寄存器移位

7、尋址,寄存器移位尋址是指尋址的操作數(shù)由寄存器中的數(shù)進行相應移位得到。 移位的方式在指令中以助記符形式給出。 移位的位數(shù)可由立即數(shù)或寄存器尋址方式表示。,例如： MOV R1, R0, LSR #2 ADD R0,R0 ,R1,LSL R2,12,基本尋址方式,寄存器間接尋址,寄存器間接尋址是指將寄存器中存放的數(shù)作為操作數(shù)的有效地址，而操作數(shù)本身存放在內存中。,指令中用于間接尋址的寄存器必須用“ ”括起來。,例如： LDR R0, R1 ; R0R1,R1,R0,13,基本尋址方式,基址變址尋址,基址變址尋址是指將寄存器(該寄存器一般作為基址寄存器)的內容與指令中給出的地址偏移量相加，形成操作數(shù)

8、的有效地址。,該尋址方式常用于訪問某基址附近的存儲單元。,例如： LDR R0, R1, #4 ; R0R1+4,R1,+,R0,4,14,基本尋址方式,多寄存器尋址,多寄存器尋址指的是一條指令可以完成多個通用寄存器值的傳送，該尋址方式可以用一條指令傳送最多16個通用寄存器的值。,連續(xù)的寄存器之間用“-”連接，不連續(xù)則用“，”分隔。,例如： LDMIA R0, R1, R3, R4, R5 ; R1R0 ; R3R0+4 ; R4R0+8 ; R5R0+12,R0,R5,R4,R3,R1,15,基本尋址方式,相對尋址,相對尋址是指以程序計數(shù)器PC的當前值為基地址，以指令中的地址標號作為偏移量，

9、兩者相加形成操作數(shù)的有效地址。,例如： BL SUB1 ; 轉移到子程序SUB1處執(zhí)行， ；SUB1是子程序入口地址 SUB1 MOV PC，LR ; 從子程序返回,PC當前,PC目標,16,基本尋址方式,堆棧尋址,堆棧尋址是指操作數(shù)存放在棧頂單元中，指令中隱含指定用 棧頂指針訪問操作數(shù)。,指令執(zhí)行時同多寄存器尋址，一條指令可實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)的 入棧和出棧操作。,例如， POP R1, R3, R4, R5 ; R1R13 ; R3R13+4 ; R4R13+8 ; R5R13+12,17,5.3 Cortex-M3指令集,ARM Cortex-M3支持的指令集包括ARMv6的大部分16位Thum

10、b指令及ARMv7的32位Thumb-2指令集。,數(shù)據(jù)處理指令,跳轉指令,程序狀態(tài)寄存器訪問指令,加載/存儲指令,18,Cortex-M3指令集,數(shù)據(jù)處理指令,數(shù)據(jù)處理就是對數(shù)據(jù)進行加工處理。,數(shù)據(jù)處理指令,數(shù)據(jù)傳送指令,算術運算指令,比較指令,邏輯運算指令,測試指令,乘法指令,19,數(shù)據(jù)處理指令,20,Cortex-M3指令集,數(shù)據(jù)傳送指令,數(shù)據(jù)傳送指令主要用于將一個寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到另一個寄存器中，或者將一個立即數(shù)傳送到寄存器中。,數(shù)據(jù)傳送類指令常用于對寄存器初始化。,例：,MOV R1, R0; R1（R0） MOV R0, #1; R01,MOVTR3, #0 xF123;；將0 x

11、F123寫入R3的高半字,低半字不變,MVN R1, #0; R1-1,21,Cortex-M3指令集,算術運算指令,算術運算指令主要指加法和減法運算，用于實現(xiàn)兩個32位數(shù)據(jù)的相加或相減操作。,例：,ADD R0, R1, R2 ; R0(R1)+(R2) ADD R0, R1, #100; R0(R1)+100 ADDS R0, R2, R3, LSL#1; R0(R2)+(R3)*2, 結果影響PSR中相應的標志位,SUB R0, R1, R2; R0（R1）-（R2）,RSB R0, R1, #250; R0250-（R1）,22,Cortex-M3指令集,ADC指令常用于多字相加，SB

12、C指令常用于多字相減。,ADDS R4, R2, R0 ; 低字相加 ADC R5, R3, R1 ; 高字相加,例：,（1）將R2和R3中的64位數(shù)與R0和R1中的64位數(shù)相加，結 果存放在R4和R5中。,（2）將存放在R1和R0中的數(shù)減去存放在R3和R2中的數(shù)， 結果存入R1和R0中。,SUBS R1, R1, R3 ; 低字相減 SBC R0, R0, R2 ; 高字相減,23,Cortex-M3指令集,比較指令,比較指令通常用于將一個寄存器數(shù)與一個32位的數(shù)進行比較，比較結果更新PSR中的標志位，不影響寄存器的內容。,比較指令更新PSR中的標志位后，其他指令可以通過條件碼來改變程序的執(zhí)

13、行順序。,比較指令不需要使用s后綴即可改變標志位的值。,例：,CMP R1, R2; （R1）-（R2）結果影響PSR中相應的標志位 CMP R0, #20; （R0）-20 結果影響PSR中相應的標志位,CMN R1, R0; （R1）+（R0）結果影響PSR中相應的標志位 CMN R0, #200; （R0）+200結果影響PSR中相應的標志位,24,Cortex-M3指令集,邏輯運算指令,邏輯運算指令是對操作數(shù)按位進行操作的，位與位之間無進位或借位。,AND指令常用于需要將某數(shù)的特定位清零的場合。,ORR指令常用于需要將某數(shù)的特定位置位的場合。,EOR指令常用于將某數(shù)的特定位取反的場合。

14、,BIC指令常用于清除某操作數(shù)中的相應位，其余位保持不變。,25,Cortex-M3指令集,1)保留寄存器R1中的高位不變，將最低2位置位。 ORR R1，R1，#3 2)保留寄存器R1中的高位不變，將低8位置位，結果存入 寄存器R2中。 ORR R2，R1，#0 x00FF,ORR指令舉例：,AND指令舉例：,1)將寄存器R0中數(shù)據(jù)的高位清零，保留最低兩位。 AND R0，R0，#3,2)將寄存器R1中的低8位清零，保留高位，結果存入R0中。 AND R0，R1，#0XFFFFFF00,26,Cortex-M3指令集,1)將寄存器R1中的最低3位取反，其他位保留。 EOR R1, R1, #

15、7 2)將寄存器R2中的低8位取反，保留高位，結果存入寄存器R3中。 EOR R3, R2, #0 x00FF,EOR指令舉例：,BIC指令舉例：,1)將寄存器R2中的位0、位2和位5清除，其余位保留。 BIC R2, R2, #0b100101 2)將寄存器R0清零。 BIC R0, R0, #0 xFFFFFFFF,27,Cortex-M3指令集,測試指令,測試指令用于測試寄存器的內容，測試結果影響PSR的狀態(tài)標志位。,TST指令常用于檢測操作數(shù)中某位的狀態(tài)。一般情況下操作數(shù)Rn是要測試的數(shù)據(jù)，而操作數(shù)Op2提供位掩碼。,TEQ指令常用于比較兩個操作數(shù)是否相等。,測試指令舉例：,1）測試寄

16、存器R0中最低位的狀態(tài)。 TST R0, #1,2）測試寄存器R0與寄存器R1中的數(shù)是否相等。 TEQ R0, R1,28,Cortex-M3指令集,乘法指令,乘法指令是將一對寄存器的內容相乘，然后根據(jù)指令類型把結果存到其他的寄存器。,例：,MUL R0, R1, R2 ; R0(R1)(R2) MULS R0,R1,R0 ; R0(R1)(R0)，同時設置PSR中的相應標志位,MLA R0, R1, R2, R3 ; R0(R1)(R2)+(R3),29,Cortex-M3指令集,SMLAL R0, R1, R2, R3 ; R0(R2)(R3)的低32位+(R0) ; R1(R2)(R3)

17、的高32位+(R1),UMULL R0, R1, R2, R3 ; R0(R2)(R3)的低32位 ; R1(R2)(R3)的高32位,UMLAL R0, R1, R2, R3 ; R0(R2)(R3)的低32位+(R0) ; R1(R2)(R3)的高32位+(R1),SMULL R0, R1, R2, R3 ; R0(R2)(R3)的低32位 ; R1(R2)(R3)的高32位,30,Cortex-M3指令集,跳轉指令,跳轉指令常用于實現(xiàn)程序流程的跳轉，這類指令可用來改變程序的執(zhí)行流程或調用子程序。,例：,1) B AGAIN ；跳轉到AGAIN標號處執(zhí)行 2) CMP R1, #0 ; 根

18、據(jù)比較結果設置PSR的狀態(tài)標志位 BNE NEXT ; 當PSR中的狀態(tài)標志位Z=1時，跳轉到NEXT ；標號處執(zhí)行,31,跳轉指令,BL NEXT ;調用標號為NEXT的子程序執(zhí)行，并將當前的PC ；值存入R14中 4) CMP R0, #5 BLLT SUB1 ; 若R05，則調用標號為SUB1的子程序執(zhí)行， ；調用結束返回到MOV指令執(zhí)行 MOV R0, R1,5) MOV R5, #0 x00000005 BX R5,6) MOV R5, #0 x00000005 BLX R5,32,Cortex-M3指令集,特殊寄存器訪問指令,spec_reg可以是APSR、IPSR、EPSR、IE

19、PSR、IAPSR、EAPSR、PSR、MSP、PSP、PRIMASK、BASEPRI、BASEPRI_MAX、FAULTMASK或CONTROL,特殊寄存器訪問指令可直接控制特殊寄存器，用于特殊寄存器和通用寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送。,例：,1)MRS R0, APSR ; 將APSR內容傳送到R0 2)MRS R1, PRIMASK ; 將PRIMASK內容傳送到R1,3)MSR CONTROL, R0 ; 將R0的內容傳送到CONTROL 4)MSR APSR, R1 ; 將R1的內容傳送到APSR,33,Cortex-M3指令集,存儲器訪問指令,存儲器訪問指令常用于產生PC相關地址及實現(xiàn)處理

20、器內寄存器和存儲器之間傳送數(shù)據(jù)。加載指令用于將存儲器中的數(shù)據(jù)傳送到寄存器，存儲指令則將寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到存儲器中。,處理器對存儲器的訪問只能通過加載/存儲指令實現(xiàn)。,Cortex-M3內核對存儲器空間及I/O映射空間采用統(tǒng)一編址，存儲器訪問指令除了對存儲器操作以外，對外圍I/O和程序數(shù)據(jù)的訪問都可通過加載/存儲指令實現(xiàn)。,34,Cortex-M3指令集,35,存儲器訪問指令,產生PC相關地址的指令,該類指令用于將與PC相關的地址送到寄存器中。,小范圍傳送地址的指令,ADR, ,ADR指令舉例: ADR R1,AGAIN ;將AGAIN標號表示的地址值寫入寄存器R1。,大范圍傳送地址的指令,L

21、DR, /,LDR指令舉例: LDR R1,=0 x32 ；將立即數(shù) 0 x32賦給寄存器R1 LDR R0,=NEXT ; 將NEXT標號對應的地址值送到寄存 ；器R0中,36,存儲器訪問指令,單數(shù)據(jù)加載/存儲指令,實現(xiàn)寄存器和存儲器之間各種類型的單數(shù)據(jù)項傳送。,支持的數(shù)據(jù)項類型：字節(jié)(8位)、半字(16位)、字(32位)和雙字 （64位）,字數(shù)據(jù)加載/存儲指令,加載指令：LDR, ,存儲指令：STR,的四種表示形式：,l 零偏移Rn,例：LDR R0, R1;將地址為R1的字數(shù)據(jù)讀入R0中,l 前索引偏移Rn, #offset,指令舉例： 1)LDR R0, R1, #7 ; 將地址為R1

22、+7的字數(shù)據(jù)讀入R0中 (R1的值不變) 2)LDR R0, R1, #7！ ; 將地址為R1+7的字數(shù)據(jù)讀入R0中， ；并將地址R1+7寫入R1中,37,存儲器訪問指令,l 寄存器偏移Rn, Rm,LSL#n,指令舉例： 1)LDR R0, R1, R2 ; 將地址為R1+R2的字數(shù)據(jù)讀入R0中 2)LDR R0, R1, R2，LSL#1 ; 將地址為R1+2R2的字數(shù)據(jù)讀入R0中,l 程序相對偏移label,例: LDR R0, locdata; 將地址為PC = locdata的字數(shù)據(jù)讀入R0,注:label為程序標號，label必須在當前指令的4KB范圍內。,l 后索引偏移Rn, #

23、offset,指令舉例： 1)LDR R0, R1, R2 ; 將地址為R1的字數(shù)據(jù)讀入R0中，并將地址R1+R2寫 ；入到R1中 2)LDR R0, R1, #7 ; 將地址為R1的字數(shù)據(jù)讀入R0中，并將地址R1+7寫 ；入到R1中,字數(shù)據(jù)存儲STR指令舉例： 1)STR R0, R1, #6 ; 將R0中的字數(shù)據(jù)寫入到R1+6地址開始的四個 ; 字節(jié)單元中。 2)STR R0, R1, #6 ; 將R0中的字數(shù)據(jù)寫入到R1地址開始的四個字 ;節(jié)單元中，并將地址R1+6寫入R1,38,存儲器訪問指令,單數(shù)據(jù)加載/存儲指令,字節(jié)數(shù)據(jù)加載/存儲指令,無符號字節(jié)數(shù)據(jù)加載：LDRB,帶符號字節(jié)數(shù)據(jù)加

24、載：LDRSB , ,字節(jié)數(shù)據(jù)存儲：STRB, ,無符號字節(jié)數(shù)據(jù)加載指令舉例： 1)LDRB R0, R1 ; 將地址為R1的字節(jié)數(shù)據(jù)讀入R0，并將R0的高 ；24位清零 2)LDRB R0, R1，#6; 將地址為R1+6的字節(jié)數(shù)據(jù)讀入R0，并將R0的 ；高24位清零,帶符號字節(jié)數(shù)據(jù)加載指令舉例： LDRSB R1, R0, R3 ; 將地址為R0+R3的字節(jié)數(shù)讀出，將讀出的 ；8位數(shù)按符號位擴展到32位后寫入R1中,字節(jié)數(shù)據(jù)存儲指令舉例： 1)STRB R0, R1 ; 將R0中的字節(jié)數(shù)據(jù)寫入以R1為地址的存儲單 ；元中 2)STRB R0, R1, #6 ; 將R0中的字節(jié)數(shù)據(jù)寫入以R1

25、+6為地址的 ；存儲單元中,39,存儲器訪問指令,單數(shù)據(jù)加載/存儲指令,半字數(shù)據(jù)加載/存儲指令,無符號半字數(shù)據(jù)加載：LDRH,帶符號半字數(shù)據(jù)加載：LDRSH ,半字數(shù)據(jù)存儲：STRH ,無符號半字數(shù)據(jù)加載指令舉例： 1)LDRH R1, R0 ; 將地址為R0的半字數(shù)據(jù)讀入R1，并將R1的高16位 ；清零 2)LDRH R0, R1, #6 ; 將地址為R1+6的半字數(shù)據(jù)讀入R0，并將R0的 ；高16位清零,帶符號半字數(shù)據(jù)加載指令舉例： LDRSH R0, R1; 將地址為R1的半字數(shù)讀出，將讀出的半字(16位)數(shù) ; 按符號位擴展到32位寫入R0中,半字數(shù)據(jù)存儲指令舉例： 1)STRH R0

26、, R1 ; 將R0中的半字數(shù)據(jù)(低16位)寫入到R1地址開始的 ; 兩個字節(jié)單元中 2)STRH R0, R1, #6; 將R0中的半字數(shù)據(jù)(低16位)寫入到R1+6地址開 ; 始的兩個字節(jié)單元中,注：半字存儲時存儲器的地址必須是偶地址。,40,存儲器訪問指令,單數(shù)據(jù)加載/存儲指令,雙字數(shù)據(jù)加載/存儲指令,雙字數(shù)據(jù)加載：LDRD,雙字數(shù)據(jù)存儲：STRD ,注意：Rd與Rn不能為同一寄存器,雙字數(shù)據(jù)加載指令舉例: 1)LDRD R1,R2, R0 ; 將地址為R0的低字單元數(shù)據(jù)加載到R1， ；高字單元數(shù)據(jù)加載到R2 2)LDRD R0, R1,R1, #6 ; 將地址為R1+6的低字單元數(shù)據(jù)加載 ；到R0，高字單元數(shù)據(jù)加載到R1,雙字數(shù)據(jù)存儲指令舉例： 1)STRD R0,R2,R1 ；將R0中的字數(shù)據(jù)存儲到R1指定地址的字單 ；元中，將R2中的字數(shù)據(jù)存儲到R1+4指定的 ；字存儲單元 2)STRD R0,R2,R1, #6；將R0中的字數(shù)據(jù)存儲到R1+6指定地址的 ；字單元中，將R2中的字數(shù)據(jù)存儲到R1+A ；指定地址的字存儲單元中,41,批量數(shù)據(jù)加載/