ARM体系结构2：处理器内核和汇编指令集

处理器内核

ARM7TDMI外部接口图：

 指令流水线

为了增加处理器指令流的处理速度，ARM7系列采用了三级流水线，允许多个操作同时进行（一个执行的同时，另一个进行译码，另一个进行取址来提高效率），而非顺序操作。注意：pc指向正在被取址的指令，而非正在执行的指令。

 最佳流水线

 指令周期CPI=6，6个时钟周期执行了6条指令，所有的操作都在寄存器中

LDR流水线

 分支流水线

 中断流水线

 ARM9TDMI

ARM9TDMI使用了哈佛架构增加了指令存储器接口和数据存储器接口，可以实现指令和数据的同时访问，采用的5级流水线，CPI为1.5，提高了最大时钟频率

 图中我们可以看到ARM7和ARM9一些区别，ARM7在执行阶段读寄存器，而ARM9在译码阶段读寄存器。

ARM10

 下面我们用一张图来总结一下：

 ARM汇编指令集

条件执行和标志位

ARM指令都可以通过添加适当的条件码来达到条件执行的目的，举个例子

CMP r3,#0

ADDNE r0,r1,r2

判断R3寄存器中的内容是否等于0，不等于再执行加指令 r0=r1+r2

我们也可以通过添加后缀 S来影响标志位

例如 SUBS

下面我把一些条件码用一张图呈现出来：

 ARM数据处理指令机器码格式

 31-28位：为指令的条件码

24-21位：指令的操作码

20位：为标志位S

19-16位：Rn第一操作数寄存器的编码

15-12位：Rd目标寄存器的编码

11-0位：操作数（3-0位：第二操作数R寄存器的编码，5-6位：移位方式，11-7位：移动位数）

注意：不能对立即数进行左移右移操作！！

下面我们来展示一些指令的使用加深印象：

1.搬移指令MOV

@ 搬移指令

.text        @汇编文本段的开始

mov r0, #5  @r0=5

mov r1,r0   @ r1=r0

mov r2, #1  @ r2=1

mov r3, r2, LSL #3 @r3=r2<<3

mov r4,r3, LSR #2

mrs r6,cpsr  @将cpsr状态寄存器的内容搬移到其他寄存器

@mov r1,#0x10
@msr cpsr,r1  @将R1寄存器内容写入cpsr状态寄存器中




.end 		@汇编文本段的结束

 我们在keil中进行编译，可以看到E3A00005是第一条指令的机器码，E为1110是默认的条件码，而24-21位为1101刚好是MOV的操作码，而11-0位为5刚好也是我们的操作数5.

2.逻辑指令 and与,orr或,bic清零

@1.将模式设置为user/system模式
mrs r0, cpsr @将cpsr内容取出放到r0寄存器

and r0, #0xfffffffc @将r0寄存器的内容相与

msr cpsr,r0 @将内容写到cpsr寄存器

@2.orr指令
orr r0,#0x3
mrs r0,cpsr  @可以，但是在user模式下可以对cpsr进行读取操作
msr cpsr,r0  @不可以，user模式下不是特权模式，不能对cpsr进行写入操作所以不能变回svc模式

注意，当我们通过更改cpsr状态寄存器来切换模式，将SVC切换到user模式后，不能在user模式下再对cpsr寄存器进行写入将其变回svc状态，但是可以进行读取操作

@3.bic指令将FIQ开启
mrs r0, cpsr
bic r0,#0x40  @将r0中6号位清零
msr cpsr,r0

bic指令可以将立即数中为1的bits位清零，我们可以通过这个操作更改状态寄存器的内容，比如上面我们就将状态寄存器中的6号位清零达到开启FIQ的操作。

3.比较指令CMP，TST

@4.tst指令
mrs r0,cpsr
tst r0,#0x20 @测试r0的第5号位是否为0

@5.cmp指令
cmp r0,#1 @比较r0寄存器中的内容是否和1相等

@6.判断当前状态是否是ARM状态，是则切换到user工作模式

mrs r0,cpsr
tst r0,#0x20
biceq r0,#0x3
msreq cpsr,r0

可以看到在判断之后我们的清零和写入操作都加上了条件码，满足对应的条件才会执行对应的指令

4.跳转指令b,bl

b:跳转到某段标号的代码处

bl：跳转到某个标号处，同时记录下一条指令的地址到LR寄存器

@1.跳转指令b
.text
@编写代码实现1+2+。。。。+10
mov r0,#1
loop:       @某段代码的标号
cmp r0,#11
addlt r1,r1,r0 @lt表示条件码
addlt r0,#1
blt loop	@跳转到loop
NOP @空指令
.end

可以看到我们代码中加了条件码来达到我们的执行条件就是当r0中寄存器的内容小于11时执行加法指令和跳转指令来达到循环的效果。

@2.跳转指令bl
	.text
main:
	mov r0,#2
	@ bl 跳转到某个标号处，同时记录下一条指令的地址到LR寄存器
	bl func1
while:
	b while
func1:
	mov r6,lr
	cmp r0,#2
	bleq func2
	blne func3
	mov pc,r6 @让cpu到lr指定的地址处取指令，也就是回到bl的下一条指令处
func2:
	add r0,#3
	mov pc,lr
func3:
	sub r0,#1
	mov pc,lr
	.end

bl在执行跳转的时候会将我们下一条指令的地址放到lr中，但是在func1中我们又会进行一次条件跳转可能会导致之前的指令地址被覆盖，所以我们将地址保存到了r6寄存器中，这样func1执行完毕后才能跳转回原来该继续执行的位置。

5.load和store

ldr默认读4个字节，ldrb读一个字节，ldrh读两个字节

 下面我们来看看例子：

.text

	main:
		@ldr伪指令，将buf这个地址不合法的立即数写到r0中
		ldr r0,=buf
		@ldrb将r0地址上的第一个字节数据读到r1中
		ldrb r1,[r0]
		
		@ldrb将r0+4地址上的第一个字节读到r1中
		ldrb r1,[r0,#4]
		
		mov r2,#0x9
		@strb将r2中的数据前1个字节写入r0+2地址上
		@ *（r0+2)=r2
		strb r2,[r0,#2]
		
	main_end:
		NOP
		NOP

.data @汇编文件数据段的开始
buf:	@buf相当于缓冲区的首地址（数组名）
		@.byte 表示一个字节空间
	.byte  0x1,0x2,0x3,0x4,0x5
	

.end