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[导读]数据处理指令是在算术逻辑单元ALU中完成。ARM处理器一个显著特征就是可以在操作数进入ALU之前,对操作数进行指定位数的左移或右移操作。这种功能明显增强了数据处理操作的灵活性。

4.1 数据处理指令的寻址方式4.1.1 数据处理指令的寻址方式概要

数据处理指令的基本语法格式如下。

<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn>,<shifter_operand>

其中<shifter_operand>有下面11种形式,如表4.1所示。

表4.1 <shifter_operand>的寻址方式

语 法

寻 址 方 式

1

#<immediate>

立即数寻址

2

<Rm>

寄存器寻址

3

<Rm>, LSL #<shift_imm>

立即数逻辑左移

4

<Rm>, LSL <Rs>

寄存器逻辑左移

5

<Rm>, LSR #<shift_imm>

立即数逻辑右移

6

<Rm>, LSR <Rs>

寄存器逻辑右移

7

<Rm>, ASR #<shift_imm>

立即数算术右移

8

<Rm>, ASR <Rs>

寄存器算术右移

9

<Rm>, ROR #<shift_imm>

立即数循环右移

10

<Rm>, ROR <Rs>

寄存器循环右移

11

<Rm>, RRX

寄存器扩展循环右移

数据处理指令的寻址方式根据<shifter_operand>的不同,相应的分为11种。

4.1.2 指令解码

图4.1显示了数据处理指令不同寻址方式下的解码格式。

图4.1 数据操作指令编码格式

编码格式中各域含义如下。

· <opcode>:确定具体指令。

· S:标识指令是否影响程序状态寄存器CPSR条件标志。

· Rd:指令操作的目的寄存器。

· Rn:指令第一源操作数。

· bit[11∶0]:移位操作,详见本章移位操作一节。

· bit[25]:被用来区分是立即数移位操作还是寄存器移位操作。

如果指令编码出现下面情况:bit[25] = 0并且bit[4] = 1并且bit[7] = 1,则指令并非数据处理指令,它可能是Load/Store指令或算术指令。

4.1.3 移位操作

数据处理指令是在算术逻辑单元ALU中完成。ARM处理器一个显著特征就是可以在操作数进入ALU之前,对操作数进行指定位数的左移或右移操作。这种功能明显增强了数据处理操作的灵活性。

移位操作可能产生进位,更新程序状态寄存器CPSR的进位标志C。移位操作有下面3种基本方式。

1.立即数方式

没有任何一条ARM指令可以包含一个32位的立即数,数据处理指令编码格式中,第二个操作数有12位。指令的编码格式如图4.1所示。

指令中的立即数是由一个8 bit的常数移动4 bit偶数位(0,2,4,…,26,28,30)得到的。所以,每一条指令都包含一个8 bit的常数X和移位值Y,得到的立即数=X循环右移(2×Y)。

注意

8位立即数一定要移偶数位。

下面列举了一些有效的立即数。

0xFF、0x104、0xFF0、0x FF00、0x FF000、0x FF000000、0x F000000F

下面是一些无效的立即数。

0x101、0x102、0x FF1、0x FF04、0x FF003、0x FFFFFFFF、0x F000001F

下面是一些应用立即数的指令。

MOV r0,#0 ;送0到r0

ADD r3,r3,#1 ;r3的值加1

CMP r7,#1000 ;r7的值和1000比较

BIC r9,r8,#0x FF00 ;将r8中8~15位清零,结果保存在r9中

2.寄存器方式

寄存器的值可以被直接用于数据操作指令,如:

MOV r2,r0 ;r0的值送r2

ADD r4,r3,r2 ;r2加r3,结果送r4

CMP r7,r8 ;比较r7和r8的值

3.寄存器移位方式

寄存器的值在被送到ALU之前,可以事先经过桶形移位寄存器的处理。预处理和移位发生在同一周期内,所以有效的使用移位寄存器,可以增加代码的执行效率。

具体的移位(或者循环移位)方式有下面几种。

· ASR:算术右移。

· LSL:逻辑左移。

· LSR:逻辑右移。

· ROR:循环右移。

· RRX:扩展的循环右移。

以上5种移位方式,移位值均可以由立即数或寄存器指定。下面是一些在指令中使用了移位操作的例子。

ADD r2,r0,r1,LSR #5

MOV r1,r0,LSL #2

RSB r9,r5,r5,LSL #1

SUB r1,r2,r0,LSR #4

MOV r2,r4,ROR r0

4.1.4 寻址方式分类详解

数据处理指令的寻址方式根据<shifter_operand>的不同,相应的分为11种。详见表4.1。下面对各类寻址方式进行详细说明。

1.#<immediate>

(1)编码格式

指令的编码格式如图4.2所示。

图4.2 数据处理指令——立即数寻址编码格式

立即数寻址为数据处理指令提供了一个可直接操作的立即数。立即数的生成方法见前面章节介绍。如果移位值为0,则移位进位值为程序状态寄存器CPSR的C标志位;否则,为32-bit立即数的bit[31]。

(2)操作伪代码

Shifter_operand = immed_8 Rotate_Right (rotate_imm*2)

if rotate_imm == 0 then

shifter_carry_out = C flag

else /* rotate_imm != 0*/

shifter_carry_out = shifter_operand[31]

(3)说明

① 并不是所有的32-bit立即数都是可以使用的合法立即数。只有那些通过将一个8-bit的立即数循环右移偶数位可以得到的立即数才可以在指令中使用。

② 有些立即数可以通过不止一种方法得到。由于立即数的构造方法中移位包含了循环操作,而循环移位操作会影响CPSR的条件标志位C。因此,同一个合法的立即数由于采用了不同的编码方式,将使这些指令的执行产生不同的结果,这是不能允许的。ARM汇编器按照下面的规则来生成立即数的编码。

· 当立即数数值在0和0xFF范围时,令immed_8=<immediate>,immed_4=0。

· 其他情况下,汇编编译器选择使用immed_4数值最小的编码方式。

③ 为了更精确地控制立即数的生成,可以使用下面的语法格式控制立即数的生成。

#<immed_8>,<rotate_amout>

其中,<rotate_amout> = 2*rotate_imm

(4)举例

SUBS r0,r0,#1 ;寄存器r0中的数值减1,结果保存到r0

MOV r0,#0xff00 ; 0xff00 → r0 ;将立即数0xff00放入r0保存

2.<Rm>

(1)编码格式

指令的编码格式如图4.3所示。

图4.3 数据处理指令——寄存器寻址编码格式

指令的操作数即为寄存器中的数值。移位寄存器的进位为程序状态寄存器CPSR的C标志位。

指令的语法格式为:<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn>,<Rm>

(2)操作伪代码

Shifter_operand = Rm

Shifter_carry_out = C Flag

(3)说明

① 从指令的解码格式来看,寄存器寻址方式和使用立即数逻辑左移寻址解码格式是相同的,只是其移位数为0。

② 如果指令中的Rm或Rn指定为程序计数器r15,则操作数的值为当前指令地址加8。

(4)举例

MOV r1,r2 ; r2 → r1

SUB r0,r1,r2 ; r1 – r2 → r0

3.<Rm>, LSL #<shift_imm>

(1)编码格式

指令的编码格式如图4.4所示。

图4.4 数据处理指令——立即数逻辑左移寻址编码格式

指令的操作数为寄存器Rm的数值逻辑左移shift_imm位。左移的范围在0到31之间。左移移出的位用0补齐。进位标志位是最后移出的位(如果移位数为0,则为C标志位)。

指令的语法格式为:<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn>,<Rm>,LSL #<shift_imm>,其中:

· <Rm>为进行逻辑左移操作的寄存器;

· LSL为逻辑左移操作标识;

· <shift_imm>为逻辑左移位数,范围为0~31。

(2)操作伪代码

if shift_imm == 0 then /*执行寄存器操作*/

shifter_operand = Rm

shifter_carry_out = C flag

else /*移位寄存器大于零*/

shifter_operand = Rm logical_shift_left shift_imm

shifter_carry_out = Rm[32 – shift_imm]

(3)说明

① 如果移位立即数<shift_imm> =0,则该寻址方式为立即数直接寻址。

② 如果指令中的Rm或Rn指定为程序计数器r15,则操作数的值为当前指令地址加8。

(4)举例

SUB r0,r1,r2,LSL #10 ;r1的值减去r2的值左移10bit,结果放到r0寄存器

MOV r0,r2,LSL #3 ;r2的值左移3bit,结果放入r0,即r0 = r2×8

4.<Rm>, LSL <Rs>

(1)编码格式

指令的编码格式如图4.5所示。

图4.5 数据处理指令——寄存器逻辑左移寻址编码格式

寄存器逻辑左移十分适合寄存器值乘2的倍数操作。

这个指令是将寄存器Rm的值逻辑左移一定的位数。位移的位数由Rs的最低8位bit[7∶0]决定。Rm移出的位用0补齐。进位值是移位寄存器最后移出的位,如果移位数大于0,则进位值为0。

(2)语法格式

<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn>,<Rm>,LSL <Rs>

其中:

· <Rm>为指令被移位的寄存器;

· LSL为逻辑左移操作标识;

· <Rs>为包含逻辑左移位数的寄存器。

(3)操作伪代码

if Rs[7:0] = = 0 then

shifter_operand = Rm

shifter_carry_out = C flag

else if Rs[7:0] < 32 then

shifter_operand = Rm logical_shift_left Rs[7:0]

shifter_carry_out = Rm[32 – Rs[7:0]]

else if Rs[7:0] = = 32 then

shifter_operand = 0

shifter_carry_out = Rm[0]

else /*Rs的后8位大于零*/

shifter_operand = 0

shifter_carry_out = 0

(4)说明

如果程序计数器r15被用作Rd,Rm,Rn或Rs中的任意一个,则指令的执行结果不可预知。

(5)举例

MOV r0,r2,LSL r3 ;r2的值左移r3位,结果放入r0

ANDS r1,r1,r2,LSL r3 ;r2的值左移r3位,然后和r1相与,结果放入r1

5.<Rm>, LSR #<shift_imm>

(1)编码格式

指令的编码格式如图4.6所示。

图4.6 数据处理指令——立即数逻辑右移寻址编码格式

指令的操作数为寄存器Rm的值右移<shift_imm>位,相当于Rm的值除以一个2的倍数。<shift_imm>值的范围为0~31,移位后空出的位添0。循环器进位值为Rm最后移出的位。

(2)语法格式

<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn>,<Rm>,LSR #<shift_imm>

其中:

· <Rm>为被移位的寄存器;

· LSR为逻辑右移操作标识;

· <shift_imm>为逻辑右移位数,范围为0~31。

(3)操作伪代码

if shift_imm == 0 then /*执行寄存器操作*/

shifter_operand = 0

shifter_carry_out = Rm[31]

else /*移位立即数大于零*/

shifter_operand = Rm logical_shift_Right shift_imm

shifter_carry_out = Rm[shift_imm - 1]

(4)说明

① shift_imm的取值范围为0~31,当shift_imm=0时,移位位数为32,所以移位位数范围为1~32位。

② 如果指令中的Rm或Rn指定为程序计数器r15,则操作数的值为当前指令地址加8。

6.<Rm>, LSR <Rs>

(1)编码格式

指令的编码格式如图4.7所示。

图4.7 数据处理指令——寄存器逻辑右移寻址编码格式

此操作将寄存器Rm的数值逻辑右移一定的位数。移位的位数由Rs的最低8位bit[7∶0]决定。移出的位由0补齐。当Rs[7∶0]大于0而小于32时,进位标志C由最后移出的位决定,当Rs[7∶0]大于32时,进位标志位为0,当Rs[7∶0]等于0时,进位标志不变。

(2)语法格式

<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn>,<Rm>,LSR <Rs>

其中:

· <Rm>为指令被移位的寄存器;

· LSR为逻辑右移操作标识;

· <Rs>为包含逻辑右移位数的寄存器。

(3)操作伪代码

if Rs[7:0] = = 0 then

shifter_operand = Rm

shifter_carry_out = C flag

else if Rs[7:0] < 32 then

shifter_operand = Rm logical_shift_Right Rs[7:0]

shifter_carry_out = Rm[Rs[7:0] - 1]

else if Rs[7:0] = = 32 then

shifter_operand = 0

shifter_carry_out = Rm[31]

else /*Rs的后8位大于零*/

shifter_operand = 0

shifter_carry_out = 0

(4)说明

如果程序计数器r15被用作Rd、Rm、Rn或Rs中的任意一个,则指令的执行结果不可预知。

7.<Rm>, ASR #<shift_imm>

(1)编码格式

指令的编码格式如图4.8所示。

图4.8 数据处理指令——立即数算术右移寻址编码格式

指令的操作数为寄存器Rm的数值逻辑右移<shift_imm>位。<shift_imm>的值范围为0~31,当<shift_imm>等于0时,移位位数为32,所以移位位数范围为1~32位。进位移位操作后,空出的位添Rm的最高位Rm[31]。进位标志为Rm最后被移出的数值。

(2)语法格式

<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn>,<Rm>,ASR #<shift_imm>

其中:

· <Rm>为被移位的寄存器;

· ASR为算术右移操作标识;

· <shift_imm>为算术右移位数,范围为1~32,当shift_imm等于0时移位位数为32。

(3)操作伪代码

if shift_imm == 0 then /*执行寄存器操作*/

if Rm[31] = = 0 then

shifter_operand = 0

shifter_carry_out = Rm[31]

else /*Rm[31] = = 1*/

shifter_operand = 0xffffffff

shifter_carry_out = Rm[31]

else /*shift_imm > 0*/

shifter_operand = Rm Arithmetic_shift_Right <shift_imm>

shifter_carry_out = Rm[shift_imm - 1]

(4)说明

① 如果指令中的Rm或Rn指定为程序计数器r15,则操作数的值为当前指令地址加8。

8.<Rm>, ASR <Rs>

(1)编码格式

指令的编码格式如图4.9所示。

图4.9 数据处理指令——寄存器算术右移寻址编码格式

此操作将寄存器Rm的数值算术右移一定的位数。移位后空缺的位由Rm的符号位(Rm[31])填充。位移的位数由Rs的最低8位bit[7∶0]决定。当Rs[7∶0]大于零而小于32时,指令的操作数为寄存器Rm的数值算术右移Rs[7∶0]位,进位标志C为Rm最后被移出的位。

(2)语法格式

<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn>,<Rm>,ASR <Rs>

其中:

· <Rm>为指令被移位的寄存器;

· ASR为算术右移操作标识;

· <Rs>为包含算术右移位数的寄存器。

(3)操作伪代码

if Rs[7:0] = = 0 then

shifter_operand = Rm

shifter_carry_out = C flag

else if Rs[7:0] < 32 then

shifter_operand = Rm Arithmeticl_shift_Right Rs[7:0]

shifter_carry_out = Rm[Rs[7:0] - 1]

else

if Rm[31] = =0 then

shifter_operand = 0

shifter_carry_out = Rm[31]

else

shifter_operand = 0xffffffff

shifter_carry_out = Rm[31]

(4)说明

如果程序计数器r15被用作Rd、Rm、Rn或Rs中的任意一个,则指令的执行结果不可预知。

9.<Rm>, ROR #<shift_imm>

(1)编码格式

指令的编码格式如图4.10所示。

图4.10 数据处理指令——立即数循环右移寻址编码格式

指令的操作数由寄存器Rm的数值循环右移一定的位数得到。移位的位数由Rs的最低8位bits[7∶0]决定。当Rs[7∶0]=0时,指令的操作数为寄存器Rm的值,循环器的进位值为CPSR中的C条件标志位;否则,循环器的进位值为Rm最后被移出的位。

(2)语法格式

<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn>,<Rm>,ROR #<shift_imm>

其中:

· <Rm>为被移位的寄存器;

· ROR为循环右移操作标识;

· <shift_imm>为循环右移位数,范围为1~31,当shift_imm等于0时执行RRX操作。

(3)操作伪代码

if shift_imm == 0 then /*执行寄存器操作*/

执行RRX操作

else

shifter_operand = Rm Rotate_Right shift_imm

shifter_carry_out = Rm[shift_imm - 1]

(4)说明

如果指令中的Rm或Rn指定为程序计数器r15,则操作数的值为当前指令地址加8。

10.<Rm>, ROR <Rs>

(1)编码格式

指令的编码格式如图4.11所示。

图4.11 数据处理指令——寄存器循环右移寻址编码格式

指令的操作数由寄存器Rm的数值循环右移一定的位数。移位的位数由Rs的最低8位bits[7∶0]决定。当Rs[7∶0]=0时,指令的操作数为寄存器Rm的值,循环器的进位值为CPSR中的C条件标志位;否则,循环器的进位值为Rm最后被移出的位。

(2)语法格式

<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn>,<Rm>,ROR <Rs>

其中:

· <Rm>为指令被移位的寄存器;

· ROR为循环右移操作标识;

· <Rs>为包含循环右移位数的寄存器。

(3)操作伪代码

if Rs[7:0] = = 0 then

shifter_operand = Rm

shifter_carry_out = C flag

else if Rs[4:0] == 0 then

shifter_operand = Rm

shifter_carry_out = Rm[31]

else

shifter_operand = Rm Rotate_Right Rs[4:0]

shifter_carry_out = Rm[Rs[4:0] - 1]

(4)说明

如果程序计数器r15被用作Rd、Rm、Rn或Rs中的任意一个,则指令的执行结果不可预知。

11.<Rm>, RRX

(1)编码格式

指令的编码格式如图4.12所示。

图4.12 数据处理指令——扩展右移寻址编码格式

指令的操作数为寄存器Rm的数值右移一位,并用CPSR中的C条件标志位填补空出的位。CPSR中的C条件标志位则用移出的位代替。

(2)语法格式

<opcode> {<cond>} {S} <Rd>,<Rn>,<Rm>,RRX

其中:

· <Rm>为指令被移位的寄存器;

· RRX为扩展的循环右移操作。

(3)操作伪代码

shifter_operand = (C flag logical_shift_left 31) OR (Rm logical_shift_Right 1)

shifter_carry_out = Rm[0]

(4)说明

① 此种寻址方式的编码形式和“ROR #0”一致。

② 如果程序计数器r15被用作Rd、Rm、Rn或Rs中的任意一个,则指令的执行结果不可预知。

③ 可以实现ADC指令的功能。

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