Day13.进入 ARM 世界： ARM Instruction Sets

学组语的目的，不见得是为了改善效能，而是：

• 判断 optimizing compiler 产生的机械码是否正确
• gcc 和 clang/llvm 引入大量的最佳化技术，已很难光看原始程序码，去推知最终生成的机械码
  [ARM 指令 Jserv 笔记中有提起]

在开始深入探讨前，先来看看ARM 的 Memory system

ARM Memory Systeam

• memory 是一个 linear array of bytes addressed，范围从 0 ~ 2^32^ -1
• 有 word, half-word, byte 三种形式
• 采用Little Endian
  

Assebbler Language:Basic Syntax

label
    opcode operand1, operand2, ...; Comments

• lable 可有可无，通常用来当作地址的标记
• opcode 指令的操作码
• operand 第一个operand是指令结果的destination，不同指令则有所不同个operand，例如立即数表示为 #number

MOV R0, #0x12 ; Set R0 = 0x12 (hexadecimal)
MOV R1, #'A' ; Set R1 = ASCII character A

• Comments 为注解，使用"；" 开头
• 使用 EQU 来定义常数

NVIC_IRQ_SETEN0 EQU 0xE000E100 
NVIC_IRQ0_ENABLE EQU 0x1

• Pseudo-instruction 是一个简单版的组语指令，没有直接等价於机器语言，在组译过程中会被翻译成一或多个机器指令

LDR R0,=NVIC_IRQ_SETEN0; ; LDR here is a pseudo-instruction that
                         ; convert to a PC relative load by
                         ; assembler.
MOV R1,#NVIC_IRQ0_ENABLE ; Move immediate data to register
STR R1,[R0]              ; Enable IRQ 0 by writing R1 to address
                         ; in R0

ARM Instruction Sets

可分成三大项:

• Data processing
  • move
  • arithmetic
  • logical
  • comparison
  • multiply
• Data movement (memory access)
• Flow control

Data processing

资料处理指令包含对资料做 移动、算数、逻辑、比较、乘法 的指令

Arithmetic operations

• ADD 指令将 Operand2 或 imm12 的值与 Rn 中的值相加。
• ADC 指令将 Rn 和 Operand2 中的值与进位标志相加。
• SUB 指令从 Rn 中的值中减去 Operand2 或 imm12 的值。
• SBC 指令从 Rn 中的值中减去 Operand2 的值。 如果进位标志清零，则结果减一。
• RSB 指令从 Operand2 的值中减去 Rn 中的值。
• Example:

ADD    r0, r1, r2    ; r0 := r1 + r2
ADC    r0, r1, r2    ; r0 := r1 + r2 + C
SUB    r0, r1, r2    ; r0 := r1 - r2
SBC    r0, r1, r2    ; r0 := r1 - r2 + C - 1
RSB    r0, r1, r2    ; r0 := r2 - r1
RSC    r0, r1, r2    ; r0 := r2 - r1 + C - 1

Bit-wise logical operations

• Bitwise intersection (and)
  • AND r0, r1, r2 ; r0 := r1 and r2
• Bitwise union (or)
  • ORR r0, r1, r2 ; r0 := r1 or r2
• Bitwise exclusive (xor)
  • EOR r0, r1, r2 ; r0 := r1 xor r2
• Unary bitwise inverse
  • BIC r0, r1, r2 ; r0 := r1 and not r2

Register movement operations:

• 在 register 和 register 之间移动数据
• 在 register 和 memory 之间移动数据
• 在 special register 和 register 之间移动数据
• 将立即值移入 register

在ARM 的指令中加了许多条件执行的後缀

Comparison operations:

• 大多数的ARM 的Banch指令都是根据APSR/CPSR 决定是否转移
  

data processing 指令可以更新 PSR

• Example:

CMP R0, R1 ; Calculate R0 – R1 and update flag
CMP R0, #0x12 ; Calculate R0 – 0x12 and update flag
CMN R0, R1 ; Calculate R0 – (-R1) and update flag
CMN R0, #0x12 ; Calculate R0 – (-0x12) and update flag
TST R0, R1 ; Calculate R0 AND R1 and update flag
TST R0, #0x12 ; Calculate R0 AND 0x12 and update flag

Immediate operands:

• Example:

ADD    r3, r3, #1    ; r3 := r3 + 1
AND    r8, r7, #&ff  ; r8 := r7[7:0]

• 我们知道指令都是 32 bit 当我们想载入32-bit 该怎麽做?

load_32bit:
ldr r0, [pc #0] ;请注意: pc 位於目前位址向前 8 bytes 的地方
bx lr
.word 0xDEADBEEF

• 在 ARMv7 後，引入两个步骤的指令来载入数值: movw, movt

movw r0, #0xbeef  ; r0 = 0x0000beef
movt r0, #0xdead ; r0 = deadbeef

• GNU as 给予便利的写法

.equ label, 0xDEADBEEF
movw r0, #:lower16:label
movt r0, #:upper16:label

Shifted register operands：

• Logical Shitf Right/Left 一律都是把多出来的位数填０
• Arithmetic Shift Right 需考虑到singed的属性，假设最高是1，则填补1，反之最高是0，则填补0。
• ROR 按值循环的Register内容的值
• RRX 被移位指令抛出的bit被放入 C Flag中，C Flag 的值会被移入 bit[31]中。

先介绍到这 明天继续介绍剩下的指令集

参考资料

ARM指令

ARM Instruction Set

Definitive Guide To the ARM Cortex-M3