ARM编程基础
本章将简要介绍ARM指令集，移位操作以及主要的寻址方式

更详细的 ARM 指令相关内容，可参考
《ARM Compiler Toolchain Assembler Reference》
《ARM Architecture Reference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition》

一、ARM 指令集

ARMv7 架构是一种 32 位处理器架构。它是一种加载/存储架构，这意味着数据处理指令只能对通用寄存器中的值进行操作。只有加载和存储指令才能访问内存。通用寄存器也是 32 位。

ARMv7架构包含两大主要指令集：ARM指令集和Thumb指令集。

• ARM 指令集：ARM 处理器的原生32位指令集。指令长度固定为32位，以字（4字节）对齐方式存储。所有32位指令均可访问全部ARM核心寄存器（R0-R15）。
• Thumb 指令集：Thumb指令集最初在ARM7TDMI处理器中添加，仅包含16位指令。包括Cortex-A系列在内的现代处理器支持Thumb-2技术，该技术扩展了Thumb指令集，提供了16位和32位指令的混合使用。

由于Thumb指令大小仅为ARM指令的一半，其程序体积通常比等效的ARM代码小约三分之一。因此，Thumb指令被用于提高代码密度并减少系统内存需求。当处理器直接连接至窄位宽（16位）内存且无缓存时，Thumb代码的性能也可能优于ARM代码——每个时钟周期可获取一条Thumb指令，而每条32位ARM指令需要两个时钟周期进行获取。

执行Thumb指令时，程序计数器（PC）的值为当前指令地址加4。唯一能直接修改PC的16位Thumb指令是某些编码形式的MOV和ADD。写入PC的值会被强制半字对齐，即忽略最低有效位（LSB），将其视为0。

在ARMCC编译器中，选项–thumb或默认的-arm允许选择编译时使用的指令集。程序在运行时可以在这两种指令集之间切换。

二、ARM指令集中的移位操作

移位与循环移位操作类型：

​1. 逻辑左移 (LSL - Logical Shift Left)

• ​定义：将位串的每一位向左移动指定位数，右侧空位补零，左侧移出的位丢弃。最后一次移出的位可能作为进位输出。
• 特点：
  • 适用于无符号数乘以2ⁿ的运算。
  • 影响标志位：CF（进位标志）、OF（溢出标志）、ZF（零标志）等。

​2. 逻辑右移 (LSR - Logical Shift Right)

• ​定义：将位串的每一位向右移动指定位数，左侧空位补零，右侧移出的位丢弃。最后一次移出的位可能作为进位输出。
• ​特点：
  • 适用于无符号数除以2ⁿ的运算。
  • 与算术右移的主要区别是填充方式（补0 vs 补符号位）。

​3. 算术右移 (ASR - Arithmetic Shift Right)

• ​定义：将位串的每一位向右移动指定位数，左侧空位用原符号位（最高位）填充，右侧移出的位丢弃。最后一次移出的位可能作为进位输出。
• ​特点：
  • 保留符号位，适用于带符号数除以2ⁿ的运算。
  • 示例：-6（补码：11111010）算术右移1位后为-3（补码：11111101）。

​4. 循环右移 (ROR - Rotate Right)​

• 定义：将位串的每一位向右移动指定位数，右侧移出的位从左侧重新填入，形成循环。最后一次移出的位可能作为进位输出。
• 特点：
  • 循环操作不丢失数据，常用于加密或位重组。
  • 示例：10111110循环右移4位后变为11101011。

​5. 带扩展的循环右移 (RRX - Rotate Right with Extend)

• 定义：将位串向右移动1位，左侧空位用进位标志（C）的值填充，右侧移出的位作为新的进位输出。
• ​特点：
  • 结合进位标志实现扩展循环，适用于多精度运算。
  • 示例：ARM指令中的RRX操作会将C标志位插入高位，低位移出到C标志

总结

操作类型	填充方式	应用场景	典型指令（汇编）
逻辑左移 (LSL)	右侧补0	无符号数乘法	SHL, SAL
逻辑右移 (LSR)	左侧补0	无符号数除法	SHR
算术右移 (ASR)	左侧补符号位	带符号数除法	SAR
循环右移 (ROR)	右侧移出位补到左侧	数据加密/循环处理	ROR
带扩展循环右移 (RRX)	左侧补进位标志C	多精度运算	RRX

三、ARM 指令分类及寻址方式

2.1 ARM 指令分类

ARM指令可以分为6类：

• 跳转指令
• 数据处理指令
• 程序状态寄存器处理指令
• Load/Store指令
• 协处理器指令
• 异常中断产生指令

2.2 ARM指令的寻址方式

1. 立即寻址（立即数寻址）
   指令操作码字段的地址部分是立即数。立即数前面加上“#”。
   指令中的立即数是由一个8bit的常数X循环右移4bit值Y的两倍的数得到：
     immediate = X ROR (2×Y)
   例如：
     MOV R0, #100 或 MOV R0, #0x64 ; 令R0的数值为100

2. 寄存器寻址（寄存器直接寻址）
   寄存器寻址是指将寄存器中的数值作为操作数。
   例如：
     MOV R0, R1 ; 将R1的数值放到R0中

3. 寄存器间接寻址
   操作数存放在存储器中，并将所存放的存储单元地址放入某一通用寄存器中。
   例如：
     LDR R0, [R1] ; 将地址为R1的值的内存单元数据读取到R0中

4. 寄存器移位寻址
   寄存器的值先进行移位操作再进行指令操作。
   例如：
     MOV R0，R1，LSL #3 ; 将R1中的值先左移 3 位，得到的结果赋值给R0

5. 基址变址寻址
   将寄存器（该寄存器一般称作基址寄存器）中的值与指令中给出的地址偏移量相加，结果得到的新地址，通过这个地址取得操作数。
   支持寄存器偏移：LDR R0, [R1, R2, LSL #2] ；R1+(R2 LSL 2)得到新的内存地址，将新地址的值赋给R0
   前变址：LDR R0, [R1, #4]!（先计算地址后访问，同时更新基址）
   后变址：LDR R0, [R1], #4（先访问后更新基址）

6. 多寄存器寻址
   使用多寄存器传送指令LDM/STM，在一条指令中传送多个寄存器的值，可以传送1～16个通用寄存器的值。
   寄存器之间的分隔符使用 “-” 或者 “,”。连续的寄存器之间用 “-” 连接；不连续的寄存器中间用 “,” 分隔。

   4种数据块传输模式：

   • IB(Increment Before)：地址增加后再完成数据传送，如STMIB、LDMIB；
   • IA(Increment After)：完成数据传送后再地址增加，如STMIA 、LDMIA；
   • DB(Decrement Before)：地址先减小再完成数据传送，如STMDB、LDMDB；
   • DA(Decrement After)：完成数据传送后再地址减小，如STMDA、LDMDA。

   指令语法：
   LDM{cond}<mode> Rn{!}, {reglist}{^} //从Rn加载到寄存器列表
   STM{cond}<mode> Rn{!}, {reglist}{^} //从寄存器列表存储到Rn

   • ​Rn：基址寄存器（不能为R15），存储操作起始地址。
   • ​!：自动更新基址寄存器值（如LDMIA R0!, {R1-R3}操作后R0指向下一个数据块）。
   • ​reglist：寄存器列表（如{R0,R2-R5,LR}），​低编号寄存器对应低内存地址。
   • ​^：特权模式操作后缀，用于恢复用户模式寄存器或操作程序状态寄存器（如中断返回）。

7. 堆栈寻址
   堆栈是一种数据结构，按先进后出(First In Last Out,FILO)的方式工作，使用一个称作堆栈指针的专用寄存器指示当前的操作位置，堆栈指针总是指向栈顶。
   根据SP指针指向的位置，栈可以分为：

• 满栈(Full Stack)：当堆栈指针SP总是指向最后压入堆栈的数据，称为满栈；
• 空栈(Empty Stack)：当堆栈指针SP总是指向下一个将要放入数据的空位置，称为空栈；
  
  根据SP指针移动的方向，栈可以分为：
• 递增堆栈(ascending stack)：堆栈由低地址向高地址生长。
• 递减堆栈(secending stack)：堆栈由高地址向低地址生长。
  
  4种类型的堆栈工作方式：
• 满递增(Full Ascending,FA)堆栈
• 满递减(Full Descending,FD)堆栈
• 空递增(Empty Ascending,EA)堆栈
• 空递减(Empty Descending,ED)堆栈。
  例如：
    STMFD SP!, {R0-R3} ; 将R0-R3的值入栈，满递减堆栈。
    LDMED SP!, {R0－R3} ；将堆栈中的数据取到R0－R3。空递减堆栈。

8. PC相对寻址
   以PC寄存器为基址寄存器，以指令中的地址标号为偏移量，两者相加形成操作数的有效地址。
   偏移量指出的是当前指令和地址标号之间的相对位置。
   跳转链接指令(子程序调用指令)的寻址方式即是相对寻址方式。