一文详解Arm Cortex-M处理器指令集

 

 

Arm处理器是基于精简指令集计算机（RISC）原理设计的，指令集和相关译码机制较为简单，具有32位Arm指令集和16位Thumb指令集，Arm指令集效率高，但是代码密度低，而Thumb指令集具有更好的代码密度，却仍然保持Arm的大多数性能上的优势，它是Arm指令集的子集。所有Arm指令都是可以有条件执行的，而Thumb指令仅有一条指令具备条件执行功能。Arm程序和Thumb程序可相互调用，相互之间的状态切换开销几乎为零。

Cortex-M0处理器基于ARMv6-M架构，是一款功耗和性能较为均衡的处理器。Cortex-M0只支持56条指令的小指令集，其中大部分指令是16位指令。

Arm Cortex-M 指令集对比：

1. 指令集

1.1 在处理器内移动数据

MOV  ,  ;Rm and Rn can be high or low registers. MOVS ,  MOVS , #immed8 ;8位立即数值 MRS  ,  MSR  , 

1.2 存储器访问

确保访问的内存地址是对齐的，这一点很重要。在ARMv6-M架构(包括Cortex-M0和Cortex-M0处理器)上不支持非对齐传输。任何未对齐内存访问的尝试都会导致HardFault异常。

LDR  ,[, ]    ; Rt = memory[Rn + Rm] STR  ,[, ]    ; memory[Rn + Rm] = Rt LDRH ,[, ]    ; Rt = memory[Rn + Rm] STRH ,[, ]    ; memory[Rn + Rm] = Rt LDRB ,[, ]    ; Rt = memory[Rn + Rm] STRB ,[, ]    ; memory[Rn + Rm] = Rt LDRSH ,[, ]   ; Rt = SignExtend(memory[Rn + Rm]) LDRSB ,[, ]   ; Rt = SignExtend(memory[Rn + Rm]) LDR  ,[, #immed5] ; Rt = memory[Rn + ZeroExtend (#immed5<<2)] STR  ,[, #immed5] ; memory[Rn + ZeroExtend(#immed5<<2)] = Rt LDRH ,[, #immed5] ; Rt = memory[Rn + ZeroExtend (#immed5<<1)] STRH ,[, #immed5] ; memory[Rn + ZeroExtend(#immed5<<1)] = Rt LDRB ,[, #immed5] ; Rt = memory[Rn + ZeroExtend (#immed5)]STRB ,[, #immed5] ; memory[Rn + ZeroExtend(#immed5)] = Rt LDR  ,[SP, #immed8]   ; Rt = memory[SP + ZeroExtend(#immed8<<2)] STR  ,[SP, #immed8]   ; memory[SP + ZeroExtend(#immed8<<2)] = Rt LDR  ,[PC, #immed8]   ; Rt =memory[WordAligned(PC+4)+ZeroExtend(#immed8<<2)] LDR  , =immed32       ; pseudo instruction translated to LDR ,[PC, #immed8] LDR  , label          ; pseudo instruction translated to LDR ,[PC, #immed8] LDM ,{, ,..} ; Load Multiple // Ra = memory[Rn] // Rb = memory[Rn + 4], // ... LDMIA !, {, ,..} ; Load Multiple Increment After LDMFD !, {, ,..} // Ra = memory[Rn], // Rb = memory[Rn + 4], // ... // and then update Rn to last read address plus 4. STMIA !, {, ,..} ; Store Multiple Increment After STMEA !, {, ,..} // memory[Rn] = Ra, // memory[Rn + 4] = Rb, // ... // and then update Rn to last store address plus 4.

1.3 栈空间访问

PUSH {, , ..} PUSH {, , .., LR} POP  {, , ..} POP  {, , .., PC}

1.4 算数运算

ADD  ,           ; Rd = Rd + Rm. Rd, Rm can be high or low registers. ADDS , ,     ; Rd = Rn + Rm SUBS , ,     ; Rd = Rn – Rm ADDS , , #immed3 ; Rd = Rn + ZeroExtend(#immed3) SUBS , , #immed3 ; Rd = Rn – ZeroExtend(#immed3) ADDS , #immed8       ; Rd = Rd + ZeroExtend(#immed8) SUBS , #immed8       ; Rd = Rd – ZeroExtend(#immed8) ADCS , ,     ; Rd = Rd + Rm + Carry SBCS , ,     ; Rd = Rd – Rm – Borrow ADD  SP, SP, #immed7     ; SP = SP + ZeroExtend(#immed7<<2) SUB  SP, SP, #immed7     ; SP = SP – ZeroExtend(#immed7<<2) ADD  SP,             ; SP = SP + Rm. Rm can be high or low register. ADD  , SP,       ; Rd = Rd + SP. Rd can be high or low register. ADD  , SP, #immed8   ; Rd = SP + ZeroExtend(#immed8<<2) ADD  , PC, #immed8   ; Rd = (PC[31:2]<<2) + ZeroExtend(#immed8<<2) ADR  ,        ; pseudo instruction translated to ADD , PC, #immed8 RSBS , ,#0       ; Rd = 0 – Rm, Reverse Subtract (negative) MULS , ,     ; Rd = Rd * Rm CMP , #immed8        ; Rd – ZeroExtended(#immed8) CMP ,            ; Rn – Rm CMN ,            ; Rn – NEG(Rm)

1.5 逻辑运算

ANDS , ,  ; Rd = AND(Rd, Rm) ORRS , ,  ; Rd = OR(Rd, Rm) EORS , ,  ; Rd = XOR(Rd, Rm) BICS , ,  ; Rd = AND(Rd, NOT(Rm)) MVNS ,        ; Rd = NOT(Rm) TST  ,        ; AND(Rn, Rm)

1.6 移位和循环操作

ASRS , , #immed5 ; Rd = Rm>>immed5 LSLS , , #immed5 ; Rd = Rm<<#immed5 LSRS , , #immed5 ; Rd = Rm>>#immed5ASRS , ,     ; Rd = Rd>>Rm LSLS , ,     ; Rd = Rd<, ,     ; Rd = Rd>>RmRORS , ,     ; Rd = Rd rotate right by Rm bits // Rotate_Left(Data, offset) = Rotate_Right(Data, (32-offset))

1.7 展开和顺序反转操作

这些反向指令通常用于在小端和之间转换数据大整数。

REV ,  ; Byte-Reverse Word // Rd = {Rm[7:0], Rm[15:8], Rm[23:16], Rm[31:24]} REV16 ,  ; Byte-Reverse Packed Half Word // Rd = {Rm[23:16], Rm[31:24], Rm[7:0] , Rm[15:8]} REVSH ,  ; Byte-Reverse Signed Half Word // Rd = SignExtend({Rm[7:0] , Rm[15:8]})

1.8 扩展操作

它们通常用于数据类型转换。

SXTB ,  ; Signed Extended Byte // Rd = SignExtend(Rm[7:0]) SXTH ,  ; Signed Extended Half Word // Rd = SignExtend(Rm[15:0]) UXTB ,  ; Unsigned Extended Byte // Rd = ZeroExtend(Rm[7:0]) UXTH ,  ; Unsigned Extended Half Word // Rd = ZeroExtend(Rm[15:0])

1.9 程序流控制

B        ; Branch, Branch range is ±2046 bytes of current PC B  ; Conditional Branch, Branch range is ±254 bytes of current PC BL       ; Branch and Link, Branch range is ±16 MB of current PC BX          ; Branch and Exchange BLX         ; Branch and Link with Exchange

条件转移指令B

1.10 内存屏障指令

在Cortex-M0和Cortex-M0处理器上支持内存屏障指令，从而在Cortex-M处理器和其他ARM处理器家族中提供更好的兼容性。

//数据内存屏障，确保所有内存访问都完成 //在新的内存访问被提交之前。

DMB

//数据同步屏障，确保所有的内存访问都完成 //在执行下一条指令之前。

DSB

//指令同步障碍，刷新管道和 //确保之前所有的指令都已完成 //在执行新指令之前。

ISB

1.11 异常相关指令

SVC ; Supervisor call CPSIE I      ; Enable Interrupt (Clearing PRIMASK) CPSID I      ; Disable Interrupt (Setting PRIMASK)

1.12 睡眠模式功能相关说明

//等待中断，停止程序执行，直到一个中断到达， //如果处理器进入调试状态。

WFI

//等待事件，如果设置了内部事件寄存器，则清除 //内部事件注册和继续执行。 //停止程序执行，直到事件(如中断)到达 //如果处理器进入调试状态。

WFE

//发送事件，设置本地事件寄存器并发送一个事件脉冲 //多处理器系统中的其他微处理器。

SEV

1.13 其他说明

NOP           ; No Operation BKPT  ; Break point YIELD         ; Execute as NOP on the Cortex-M0 processor

2. 指令说明

2.1 可访问high registers的指令

绝大部分指令只能访问low registers，也就是只能访问R0~R7寄存器。可以访问high registers的指令只有两条，这两条指令都不更新APSR，指令没有S后缀。

MOV  ,  ; Rm and Rn can be high or low registers. ADD  ,  ; Rd = Rd + Rm. Rd, Rm can be high or low registers.

其它两条和SP加法有关的可以访问high registers的指令其本质是ADD指令。

ADD  SP,          ADD  , SP, 

2.2   分配临时变量的指令

函数内的临时变量分配到堆栈，进入函数给临时变量分配空间时使用SUB指令。

SUB  SP, SP, #immed7     ; SP = SP – ZeroExtend(#immed7<<2)

退出函数释放临时变量空间时使用ADD指令。

ADD  SP, SP, #immed7     ; SP = SP + ZeroExtend(#immed7<<2)

上面两条指令的立即数只有7位，最多可以增减SP指针127个字空间，如果超过127个字，使用这条指令：

ADD  SP,             ; SP = SP + Rm. Rm can be high or low register.

只有ADD指令，没有SUB指令，如果需要SUB，那么给Rm赋值负数即可。

2.3 取临时变量地址的指令

在堆栈分配了临时变量空间后，总要取得临时变量的地址才能做进一步的操作。

ADD  , SP, #immed8   ; Rd = SP + ZeroExtend(#immed8<<2)

立即数不够，可以用寄存器。

ADD  , SP,       ; Rd = Rd + SP. Rd can be high or low register.

2.4 RSBS指令

RSBS , , #0       ; Rd = 0 – Rm, Reverse Subtract (negative)

这是倒过来的减法，常量减去寄存器值，而且常量只能是0。所以这条指令实质上就是一条取负数指令。

Rd = 0 - Rm 等价于：Rd = -Rm Rd 寄存器值等于负的 Rm 寄存器值。