2.2 指令系统

CPU 的功能是从外部设备获得数据，经过加工、处理后再把处理结果发送到和 CPU 连接的外部设备。设计一个CPU，首先需要设计一套可以执行特定功能的操作命令，这种操作命令称为指令。CPU 所能执行的各种指令的集合，称为该 CPU 的指令系统。表2-3给出了ARM Cortex-M指令集概况。在ARM系统中，使用架构（Architecture）一词，即体系结构，主要是指使用的指令集。由同一架构，可以衍生出许多不同的处理器型号。对 ARM 而言，其他芯片厂商，可由 ARM 提供的一种处理器架构具体生产出许多不同的 MCU 或处理器型号。ARMv7-M 是一种架构，其中 v7是指版本号，而基于该架构处理器有 Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M4F等。读者了解其基本脉络即可。

本节在给出指令简表与寻址方式的基础上，简要阐述ARM Cortex-M系列共用的57条基本指令功能。

2.2.1 指令简表与寻址方式

1.指令简表

ARM Cortex-M4F支持所有的Thumb和Thumb2指令，还支持浮点运算指令、DSP扩展指令等。常用的指令大体可分为数据操作类指令、跳转控制类指令、数据传送类指令，以及其他指令。Cortex-M4F有53条16位指令、92条32位指令和35条浮点指令，这其中包含了一些Cortex-M3中不支持的协议处理器指令和用于Cache的指令。表2-4为基本指令简表，供读者简要了解，需要记忆几个保留字以便理解基本的汇编程序，其他指令在需要时可查阅《ARMv7-M参考手册》。

2.寻址方式

指令是对数据的操作，通常把指令中所要操作的数据称为操作数，ARM Cortex-M4F微控制器所需的操作数可能来自寄存器、指令代码、存储单元。确定指令中所需操作数的各种方法称为寻址方式（Addressing Mode）。下面指令格式中的“{}”表示其中是可选项，如“LDRH Rt, [Rn {, #imm}]”，表示有“LDRH Rt, [Rn ]”“LDRH Rt, [Rn , #imm]”两种指令格式。指令中的“[ ]”表示其中的内容为地址，“//”表示注释。

（1）立即数寻址。在立即数寻址方式中，操作数直接通过指令给出，数据包含在指令编码中，随指令一起被编译成机器码后存储在程序空间中。“#”为立即数的前导标识符，ARM Cortex-M4立即数范围是0x00～0xff。例如：

SUB　R1,R0,#1　　　　　　 //R1←R0-1

MOV R0,#0xff　　　　　　 //即数0xff装入R0寄存器

（2）寄存器寻址。在寄存器寻址中，操作数来自寄存器。例如：

MOV　R1,R2　　　　　　　//←R2

SUB　R0,R1,R2　　　　　　//0←R1-R2

（3）直接寻址。在直接寻址方式中，操作数来自存储单元，在指令中直接给出的是存储单元地址。在指令码中，给出了数据的位数，有字（4字节）、半字（2字节）、单字节三种情况。例如：

LDR　　 Rt,label　　　　　 //在label处连续取4字节至寄存器中

LDRH　 Rt,label　　　　　 //在label处读取半字到Rt

LDRB　 Rt,label　　　　　 //在label处读取字节到Rt

（4）偏移寻址及寄存器间接寻址。在偏移寻址中，操作数来自存储单元，指令通过寄存器及偏移量给出存储单元的地址，偏移量不能超过4 KB（指令编码中偏移量为12位）。偏移量为0的偏移寻址也称为寄存器间接寻址。例如：

LDR R3,[PC,#100]　　　　　//将（PC+100）的存储器单元的内容加载到寄存器R3中

LDR R3,[R4]　　　　　　　 //将R4的存储单元的内容加载到寄存器R3中

2.2.2 数据传送类指令

数据传送类指令的功能有两种：一是将存储器地址空间中的数据传送到寄存器中；二是将寄存器中的数据传送到另一寄存器或存储器地址空间中。基本的数据传送类指令有16条。

1.取数指令

取数指令是将存储器中内容加载（Load）到寄存器中的指令，如表2-5所示，其中LDR、LDRH、LDRB 指令分别表示加载来自存储器单元的一个字、半字和单字节（不足部分以0填充）。LDRSH和LDRSB指令用于将存储单元的半字、字节有符号数扩展成32位后加载到指定的寄存器Rt中。

在“LDM Rn{!},reglist”指令中，Rn表示存储器单元起始地址的寄存器；reglist可包含一个或多个寄存器，若包含多个寄存器则必须以“,”分隔，外面用“{}”标识；“!”是一个可选的回写后缀，reglist列表中包含Rn寄存器时不要回写后缀，否则须带回写后缀“!”。带后缀时，在数据传送完成之后，将最后的地址将写回到Rn=Rn+4×(n-1),n为reglist中寄存器的个数。Rn不能为R15,reglist可以为R0～R15任意组合；Rn寄存器中的值必须字对齐。这些指令不影响N、Z、C、V状态标志。

2.存数指令

存数指令是将寄存器中内容存储（Store）到存储器单元中的指令，如表2-6所示，其中， STR、STRH和STRB指令存储Rt寄存器中的字、低半字或低字节至存储器单元，存储器单元地址由Rn与Rm之和决定，Rt、Rn和Rm必须为R0～R7之一。

其中，“STM Rn!, reglist”指令将reglist列表寄存器内容以字存储到Rn寄存器中的存储单元地址，以4字节访问存储器地址单元，访问地址从Rn寄存器指定的地址值到Rn+4×(n-1), n为reglist中寄存器的个数，按寄存器编号递增顺序访问，最低编号使用最低地址空间，最高编号使用最高地址空间。对于STM指令，若reglist列表中包含Rn寄存器，则Rn寄存器必须位于列表首位；若reglist列表中不包含Rn，则将位于Rn+4×n地址回写到Rn寄存器中。这些指令不影响N、Z、C、V状态标志。

3.寄存器间数据传送指令

寄存器间数据传送指令如表2-7所示，Rd表示目标寄存器；imm为立即数，范围为0x00～0xff。当MOV指令中Rd为PC寄存器时，则丢弃第0位；当出现跳转时，将传送值的第0位清0后的值作为跳转地址。虽然MOV指令可以作为分支跳转指令，但强烈推荐在跳转时使用BX或BLX指令。MOV指令影响N、Z状态标志，但不影响C、V状态标志。

4.堆栈操作指令

堆栈（Stack）操作指令如表2-8所示，PUSH指令将寄存器值保存在堆栈中，最低编号寄存器使用最低存储地址空间，最高编号寄存器使用最高存储地址空间；POP 指令将值从堆栈中弹回寄存器，最低编号寄存器使用最低存储地址空间，最高编号寄存器使用最高存储地址空间。执行PUSH指令后，更新SP寄存器值SP=SP-4；执行POP指令后更新SP寄存器值SP=SP+4。若POP指令的reglist列表中包含指针PC，在POP指令执行完成后将跳转到PC所指地址处。SP寄存器的值最低位通常用于更新xPSR的T位，此位必须置1确保程序正常运行。

例如：

PUSH{R0,R4-R7}　　　 @将R0,R4～R7寄存器值入栈

PUSH{R2,LR}　　　　 @将R2,LR寄存器值入栈

POP{R0,R6,PC}　　　　@出栈，将堆栈中的值保存R0、R6、PC中，同时跳转至PC所指向的地址

5.生成与指针PC相关地址指令

ADR指令（见表2-9）用于将指针PC值加上一个偏移量得到的地址写入目标寄存器中。若利用ADR指令生成的目标地址用于跳转指令BX、BLX，则必须确保该地址最后一位为1。Rd为目标寄存器，label为与指针PC相关的表达式。在该指令下，Rd必须为R0～R7，数值必须字对齐且在当前PC值的1020字节以内。此指令不影响N、Z、C、V状态标志。这条指令主要在编译阶段使用，一般可看成一条伪指令。

2.2.3 数据操作类指令

数据操作主要包括算术运算、逻辑运算、移位等。

1.算术运算类指令

算术类指令有加、减、乘、比较等，如表2-10所示。

加、减指令对操作数的限制条件如表2-11所示

2.逻辑运算类指令

逻辑运算类指令如表2-12所示，其中 AND、EOR 和 ORR 指令将寄存器 Rn、Rm值进行逐位逻辑与、异或以及或操作，BIC 指令将寄存器 Rn 的值与 Rm 的值的反码按位进行逻辑与操作，结果将保存到Rd。这些指令会更新N、Z状态标志，但不影响C、Z状态标志。

Rd、Rn和Rm必须为R0～R7，其中Rd为目标寄存器，Rn为存放第一个操作数寄存器且必须和目标寄存器Rd一致（即Rd就是Rn）,Rm为存放第二个操作数寄存器。

3.移位类指令

移位类指令如表2-13所示，其中，ASR、LSL、LSR和ROR指令根据寄存器Rs或立即数imm决定移动位数寄存器Rm的值进行算术右移、逻辑左移、逻辑右移和循环右移操作。在这些指令中，Rd、Rm、Rs必须为R0～R7；对于非立即数指令，Rd和Rm必须一致。Rd为目标寄存器，若省去Rd，表示其值与Rm寄存器一致；Rm为存放被移位数据寄存器；Rs为存放移位长度寄存器；imm为移位长度，ASR指令的移位长度范围为1～32,LSL指令的移位长度范围为0～31,LSR指令的移位长度范围为1～32。

（1）单向移位指令。算术右移指令ASR指令比较特别，它把要操作的字节当成有符号数，而符号位（b31）保持不变，其他位右移一位，即首先将b0位移入C中，其他位（b1～b31）右移一位，相当于操作数除以2。为了保证符号不变，ASR指令使符号位b31返回本身。逻辑右移指令LSR把32位操作数右移一位，首先将b0位移入C中，其他右移一位，0移入b31。根据结果，ASR、LSL、LSR指令对标志位N、Z有影响；最后移出位更新标志位C。

（2）循环移位指令。在循环右移指令ROR中，将b0位移入b31中的同时也移入C中，其他位右移一位，从b31～b0内部看来循环右移了一位。根据结果，ROR指令对标志位N、Z有影响；最后移出位更新标志位C。

4.位测试指令

位测试指令见表2-14。

5.数据序转指令

数据序转指令如表2-15所示。该指令用于改变数据的字节顺序，其中，Rn 为源寄存器，Rd 为目标寄存器，且必须为R0～R7。REV指令将32位大端数据转小端数据存放或将32位小端数据转大端数据存放；REV16指令将一个32位数据分成两个16位大端数据，将这两个16位大端数据转小端数据存放，或者将一个32位数据划分成两个16位小端数据，将这两个16位小端数据转大端数据存放；REVSH指令将16位带符号大端数据转成32位带符号小端数据，或者将16位带符号小端数据转成32位带符号大端数据，如图2-4所示。这些指令不会影响标志位N、Z、C、V。

6.扩展类指令

扩展类指令如表2-16所示，其中，寄存器Rm存放待扩展操作数，寄存器Rd为目标寄存器，Rm、Rd必须为R0～R7。这些指令不会影响标志位N、Z、C、V。

2.2.4 跳转控制类指令

跳转控制类指令如表2-17所示，这些指令不会影响标志位N、Z、C、V。

跳转控制类指令举例如下，特别要注意BL指令常用于调用子程序。

BEQ　label　　　　　　@条件跳转，标志位Z=1时跳转到label对应的地址

BL　 funC　　　　　　@调用子程序funC，把跳转前的下条指令地址保存到LR

BX　 LR　　　　　　 @返回到函数调用处

B指令所带条件众多，可以形成不同条件下的跳转，但只能在前256字节到后254字节地址范围内跳转。B指令所带的条件见表2-18。

2.2.5 其他指令

不属于数据传送类、数据操作类、跳转控制类的指令称为其他指令，如表2-19所示，其中，spec_reg 表示特殊寄存器，如 APSR、IPSR、EPSR、IEPSR、IAPSR、EAPSR、PSR、MSP、PSP、PRIMASK或CONTROL。

表2-19中的中断指令（禁止总中断指令“CPSIE i”，使能总中断指令“CPSID i”）为编程必用指令，在实际编程时，由宏函数给出。

下面对两条休眠指令WFE与WFI进行简要说明。这两条指令只用于低功耗模式，并不产生其他操作（这一点类似于 NOP 指令）。休眠指令 WFE 执行情况由事件寄存器决定，若事件寄存器为零，只有在发生如下事件才执行：

（1）发生异常，且该异常未被异常屏蔽寄存器或当前优先级屏蔽。

（2）在进入异常期间，系统控制寄存器的SEVONPEND置1。

（3）若使能调试模式时，触发调试请求。

（4）外围设备发出一个事件或在多重处理器系统中另一个处理器使用SVC指令。

若事件寄存器为1,WFE指令清该寄存器后立刻执行。休眠指令WFI执行条件为：发生异常或PRIMASK.PM被清0，产生的中断将会抢先，或发生触发调试请求（不论调试是否被使能）。