Part 3 ARM指令集

ARM模式和Thumb模式

ARM處理器主要有兩種工作模式（先不算Jazelle）-ARM狀態和Thumb狀態。這些狀態模式與權限級別無關，它們主要區別是指令集，在ARM模式下指令集始終是32-bit，但是在Thumb模式下可以是16-bit或者32-bit。學會怎么使用Thumb模式對于ARM開發很重要。編寫ARM殼代碼時，我們需要避免NULL字節，使用16位Thumb指令而不是32位ARM指令可以降低這種風險。ARM各版本的調用規范容易讓人混淆，不是所有的ARM版本都支持相同的Thumb指令集。后來，ARM 引入了增強的 Thumb 指令集（偽名稱：Thumbv2），它允許 32 位 Thumb 指令甚至允許條件執行，在之前的版本中是不行的。為了在Thumb模式中支持條件執行，引入了“it”指令。但是，該指令隨后又在更高版本中刪除了，被一種更簡單的方式所替換。不同ARM/Thumb指令集的有各種不同變體，一般不同關心這些。只需要知道的是你的目標設備的 ARM 版本及其特定的 Thumb 支持，然后再調整代碼。ARM 信息中可以幫助您確定ARM 版本的細節（http://infocenter.arm.com/help/index.jsp）。

Thumb-1（16 位指令）：在ARMv6和更早的體系結構中使用。

Thumb-2（16 位和 32 位指令）：在Thumb-1基礎上添加更多指令并允許它們為 16 位或 32 位寬（ARMv6T2、ARMv7）。

ThumbEE：更改和添加了一些支持動態生成代碼的功能（在執行之前或執行期間在設備上編譯代碼）。

ARM模式和Thumb模式的態區別：

條件執行：在ARM模式下所有的指令都支持條件執行。一些版本的ARM處理器可以通過it指令在Thumb工作模式下支持條件執行。

ARM和Thumb模式下的32-bit指令：在Thumb模式下的32-bit指令有.w后綴。

桶型位移器（barrel shifter）是ARM模式下的另一個特點。它可以將多條指令縮減為一條。例如，你可以通過向左位移1位的指令后綴將乘法運算直接包含在一條MOV指令中（將一個寄存器的值乘以2，再將結果MOV到另一個寄存器）:

MOV R1, R0, LSL#1 ;R1 = R0 * 2，而不需要使用專門的乘法指令來運算。

要切換處理器在其中執行的狀態，必須滿足以下兩個條件之一：

我們可以使用分支指令 BX（分支和切換狀態）或 BLX（分支、鏈接和切換狀態），并將目標寄存器的最小有效位設置為 1。可以通過偏移量加1來實現，例如0x5530+1。您可能會認為這將導致對齊問題，因為指令是 2 或 4 字節對齊的。這不是問題，因為處理器將忽略最低有效位。詳見Part 6：條件執行和分支。

如果當前程序狀態寄存器的T位被置位，就說明工作在Thumb模式下。

ARM指令簡介

本節簡單介紹ARM指令集以及基本用法。了解匯編語言中的最小部分如何操作，它們之間如何銜接，它們之間能組合成什么樣的功能。

ARM指令后面通常跟著兩個操作數，像下面這樣的形式：

MNEMONIC{S}{condition} {Rd}, Operand1, Operand2

由于ARM指令集的靈活性，并不是所有的指令都用到這些字段。這些字段的解釋如下：

MNEMONIC     - 操作指令（機器碼對應的助記符）。

{S}          - 可選后綴. 如果指定了該后綴，那么條件標志將根據操作結果進行更新。

{condition}  - 執行指令所需滿足的條件。

{Rd}         - 目標寄存器，存儲操作結果。

Operand1     - 第一操作數（寄存器或者立即數）

Operand2     - 第二操作數. 立即數或者帶有位移操作后綴（可選）的寄存器。

MNEMONIC, S, Rd和Operand1字段比較明了，condition 和 Operand2字段需要再解釋一下。condition字段與CPSR寄存器的值有關，準確的說是和CPSR某些位有關。Operand2也叫可變操作數，因為它可以有多種形式--立即數、寄存器、帶有位移操作的寄存器。例如Operand2可以有以下多種形式：

#123                    - 立即數。

Rx                      - 寄存器x (如 R1, R2, R3 ...)。

Rx, ASR n               - 寄存器x，算術右移n位 (1 = n = 32)。

Rx, LSL n               - 寄存器x，邏輯左移n位 (0 = n = 31)。

Rx, LSR n               - 寄存器x，邏輯右移n位 (1 = n = 32)。

Rx, ROR n               - 寄存器x，循環右移n位 (1 = n = 31)。

Rx, RRX                 - 寄存器x，擴展的循環位移，右移1位。

讓我們以一個簡單的例子看一下這些指令的不同：

ADD   R0, R1, R2         - 將寄存器R1內的值與寄存器R2內的值相加，結果存儲到R0。

ADD   R0, R1, #2         - 將寄存器R1內的值加上立即數2，結果存儲到R0。

MOVLE R0, #5             - 僅當滿足條件LE（小于或等于）時，才將立即數5移動到R0（編譯器會把它看作MOVLE R0, R0, #5）。

MOV   R0, R1, LSL #1     - 將寄存器R1的內容向左移動一位然后移動到R0（Rd）。因此，如果R1值是2，它將向左移動一位，并變為4。然后將4移動到R0。

來快速總結一下，看一下后續示例中將涉及的一些常用指令：