ARM指令寻址方式之： 数据处理指令的寻址方式

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        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 &ndash; 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 &ndash; 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 &ndash; 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。