一、什么是指令集
在计算机的世界里，CPU只能识别二进制的机器码，对于一个32位ARMv7架构来说，每一个指令由32个0或1的组合组成，CPU的设计者会指定一组固定的组合格式，告诉CPU完成什么动作，这组固定格式的0或1的组合就是指令集。
对于程序员来说，阅读二进制的机器码是一个相当大的挑战，为了便于编写程序，最早的汇编语言就诞生了，比如
ADD R0，R1，R2
这句话的的作用是寄存器R1、R2里的值求和后，存储到R0里面。
汇编语言通过编译器的编译，转换成CPU能够识别的二进制机器码。
二、ARM指令集版本历史
计算机完成一定的操作通过指令来实现，不同的指令方式被称为计算机架构，目前计算机主要有三大架构阵营，一是CISC（Complex Instruction Set Computers）复杂指令集架构，另一种是RISC（Reduced Instruction Set Computers）精简指令集架构，此外还有一个国内比较火的MIPS指令集。采用CISC架构的代表是Intel和AMD的X86指令集，采用RISC架构的代表是ARM指令集和PowerPC指令集。ARM架构从诞生到今天从V1版本已经升级到了V8版本，各版本代表的分支型号如下表所示。
| 架构 | 处理器家族 | 历史 |
| ARMv1 | ARM1 | 最早由Acorn 计算机公司设计，1985年开发出样本。 |
| ARMv2 | ARM2、ARM3 | 1986年开发出ARM2，32位数据，26位地址空间。 |
| ARMv3 | ARM6、ARM7 | 1990年设计团队组成新公司Advanced RISC Machines Ltd. （安某国际） |
| ARMv4 | StrongARM、ARM7TDMI、ARM9TDMI | |
| ARMv5 | ARM7EJ、ARM9E、ARM10E、XScale | |
| ARMv6 | ARM11、ARM Cortex-M | |
| ARMv7 | ARM Cortex-A、ARM Cortex-M、ARM Cortex-R | |
| ARMv8 | Cortex-A35、Cortex-A50系列[14]、Cortex-A72、Cortex-A73 |
从图中可以看出，Cortex-A9 架构的CPU采用的是ARMv7的指令集，目前高性能的64位视频处理，比如Cortex-A72，采用的是ARMv8指令集。
高版本的指令集会向下兼容低版本，在低版本的基础上增加了更多特殊用途的指令集，比如浮点运算，CPU加速、数据安全等特殊用途的指令集。
三、ARM指令格式
ARM指令格式形式如下：
指令 {条件} {S} {目的Register}，{OP1}，{OP2}
括号中的操作都是可选项，对应的32机器码，哪里代表指令，哪里代表条件，哪里代表操作数呢？ 请看下表。
| 31 | 30 | 29 | 28 | 27 | 26 | 25 | 24 | 23 | 22 | 21 | 20 | 19 | 18 | 17 | 16 | 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| Cond | Opcode | S | Rn | Rd | Shift_operand | ||||||||||||||||||||||||||
不同域的具体意义如下表所示：
| [31:28]Cond | 条件域，用来定义指令执行的条件 |
|---|---|
| [27:25] | 指令类别，跳转指令、数据处理指令、移位指令等等 |
| [24:21]Opcode | 指令域，代表具体的指令，比如ADD，MOV等。 |
| [20]S | 指令的后缀，可加可不加，指令后缀带S表示该指令的结果会影响CPSR寄存器。 |
| [19:16]Rn | 第一个操作数(OP1)的寄存器编码 |
| [15:12]Rd | 目标寄存器编码 |
| [11:0]Shift_oprand | 第二个操作数(OP2) |
下面给出一个从文档中抓出的表格，更详细的总结了指令格式。
四、特殊寄存器–CPSR
每种架构的CPU都有一组特殊用途的寄存器，用来存放从存储器读来数据或者指令编码，在ARM中，有一个特殊的寄存器叫CPSR（current program status register），用来存放当前指令执行的状态。比如存放数学运算结果的正负、借位、溢出等情况，详细信息如下表所示。
| CPSR field | F (Flags field mask byte) | S (Stats field mask byte) | X (Extension field mask byte) | C (control field mask byte) | |||||||||||||||||||||||||||||
| CPSR | 31 | 30 | 29 | 28 | 27 | 26 | 25 | 24 | 23 | 22 | 21 | 20 | 19 | 18 | 17 | 16 | 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | |
| 意义 | N | Z | C | V | Q | DNZ (RAZ) 系统扩展用 | I | F | T | M4 | M3 | M2 | M1 | M0 | |||||||||||||||||||
| CPSR各bit详细意义 | N | 当前指令运算结果为负时，N = 1; 结果为非负时，N = 0 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Z | 运算结果为0，Z＝1；否则Z＝0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| C | 上溢出、进位C＝1；下溢出、借位C＝0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| V | 加减法V＝1表示符号位溢出 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| I | I＝1时，禁止IRQ中断 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| F | F＝1时，禁止FIQ中断 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| T | T＝0，ARM指令；T＝1，Thumb指令 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| M[4:0] | 0b10000 | User | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 0b10001 | FIQ | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0b10010 | IRQ | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0b10011 | Supervisor | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0b10111 | Abort | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0b11011 | Undefined | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0b11111 | System | ||||||||||||||||||||||||||||||||
五、ARM指令举例
.data /* the .data section is dynamically created and its addresses cannot be easily predicted */
var1: .word 3 /* variable 1 in memory */
var2: .word 4 /* variable 2 in memory */
.text /* start of the text (code) section */
.global _start
_start:
ldr r0, adr_var1 @ 加载adr_var1的内存地址到寄存器R0中。load the memory address of var1 via label adr_var1 into R0
ldr r1, adr_var2 @ 加载adr_var2的内存地址到寄存器R1中。load the memory address of var2 via label adr_var2 into R1
ldr r2, [r0] @ 加载地址为adr_var1的内存中的数据到R2中。load the value (0x03) at memory address found in R0 to register R2
str r2, [r1] @ R2中的数据保存到加载地址为adr_var2的内存中。store the value found in R2 (0x03) to the memory address found in R1
bkpt
adr_var1: .word var1 /* address to var1 stored here */
adr_var2: .word var2 /* address to var2 stored here */
详细过程如下面的动画所示
六、ARM指令详表
1. 条件域(Cond)描述
| 31 | 30 | 29 | 28 | Cond域描述 | |||
| 0000 | EQ | Z＝1 | Equal | ||||
| 0001 | NE | Z＝0 | Not equal, or unordered | ||||
| 0010 | CS/HS | C＝1 | Carry set / Unsigned higher or same | Great than or equal, or unordered | |||
| 0011 | CC/LO | C＝0 | Carry clear / Unsigned lower | Less than | |||
| 0100 | MI | N＝1 | Negative | Less than | |||
| 0101 | PL | N＝0 | Positive or zero | Greater than or equal , or unordered | |||
| 0110 | VS | V＝1 | Overflow | Unordered | |||
| 0111 | VC | V＝0 | No overflow | Not unordered | |||
| 1000 | HI | C＝1且Z＝0 | Unsigned higher | Greater than, or unordered | |||
| 1001 | LS | C＝0或Z＝1 | Unsigned lower or same | Less than or equal | |||
| 1010 | GE | N＝1且V＝1 或N＝0且V＝0 | Signed greater than or equal | Greater than or equal | |||
| 1011 | LT | N＝1且V＝0 或N＝0且V＝1 | Signed less than | Less than , or unordered | |||
| 1100 | GT | Z＝0或N＝V | Signed greater than | Great than | |||
| 1101 | LE | Z＝1或N！＝V | Signed less than or equal | Less than or equal , or unordered | |||
| 1110 | AL | Always (unconditional) | |||||
2. 数据处理类指令编码
其它类指令请参阅 ARM Articheture Reference Manual
| 24 | 23 | 22 | 21 | Opcode域描述 | |
| 0000 | AND | Logical AND | |||
| 0001 | EOR | Logical Exclusive OR | |||
| 0010 | SUB | Subtract | |||
| 0011 | RSB | Reverse Subtract | |||
| 0100 | ADD | Add | |||
| 0101 | ADC | Add with Carry | |||
| 0110 | SBC | Subtract with Carry | |||
| 0111 | RSC | Reverse Subtract with Carry | |||
| 1000 | TST | Test | |||
| 1001 | TEQ | Test Equivalence | |||
| 1010 | CMP | Compare | |||
| 1011 | CMN | Compare Negated | |||
| 1100 | ORR | Logical OR | |||
| 1101 | MOV | Move | |||
| 1110 | BIC | Bit Clear | |||
| 1111 | MVN | Move Not | |||
3. 指令汇总表
| 指令格式： 指令{ 条件}{S} { 目的Register}，{OP1}，{OP2} | "{ }"中的内容可选。即，可以不带条件只有目的寄存器，或 | ||||||
| 只有目的寄存器和操作数1，也可以同时包含所有选项。“S” 决定指令的操作是否影响CPSR中条件标志位的值，当没有S时指令不更新CPSR中条件标志位的值 | |||||||
| 助记符 | 英文全称 | 示例、功能 | |||||
| 跳转指令 | B | Branch | B Label ；程序无条件跳转到标号Label处执行 | ||||
| BL | Branch with Link | BL Label ；当程序无条件跳转到标号Label处执行时，同时将当前的PC值保存到R14中 | |||||
| BLX | Branch with Link and exchange | BLX Label ；从ARM指令集跳转到指令中所指定的目标地址，并将处理器的工作状态有ARM状态切换到Thumb状态，该指令同时将PC的当前内容保存到寄存器R14中 | |||||
| BX | Branch and exchange | BX Label ；跳转到指令中所指定的目标地址，目标地址处的指令既可以是ARM指令，也可以是Thumb指令 | |||||
| 数据处理 | MOV | Move | MOV R1，R0，LSL＃3 ；将寄存器R0的值左移3位后传送到R1 | ||||
| MVN | Move NOT | MVN R0，＃0 ；将立即数0取反传送到寄存器R0中，完成后R0=-1 | |||||
| CMP | Compare | CMP R1，R0 ；将寄存器R1的值与寄存器R0的值相减，并根据结果设置CPSR的标志位 | |||||
| CMN | Compare negative | CMN R1，R0 ；将寄存器R1的值与寄存器R0的值相加，并根据结果设置CPSR的标志位 | |||||
| TST | Test | TST R1，＃0xffe ；将寄存器R1的值与立即数0xffe按位与，并根据结果设置CPSR的标志位 | |||||
| TEQ | Test equivalence | TEQ R1，R2 ；将寄存器R1的值与寄存器R2的值按位异或，并根据结果设置CPSR的标志位 | |||||
| ADD | Add | ADD R0，R2，R3，LSL#1 ； R0 = R2 + (R3 << 1) | |||||
| ADC | Add with carry | ADCS R2，R6，R10 ； R2 = R6＋R10＋!C，且更新CPSR的进位标志位 | |||||
| SUB | Subtract | SUB R0，R1，#256 ； R0 = R1 – 256 | |||||
| SBC | Subtract with carry | SUBS R0，R1，R2 ； R0 = R1 - R2 - ！C，并根据结果设置CPSR的进位标志位 | |||||
| RSB | Reverse subtract | RSB R0，R1，R2 ； R0 = R2 – R1 | |||||
| RSC | Reverse subtract with carry | RSC R0，R1，R2 ； R0 = R2 – R1 - ！C | |||||
| AND | And | AND R0，R0，＃3 ； 该指令保持R0的0、1位，其余位清零。 | |||||
| ORR | OR | ORR R0，R0，＃3 ； 该指令设置R0的0、1位，其余位保持不变。 | |||||
| EOR | Exclusive OR | EOR R0，R0，＃3 ； 该指令反转R0的0、1位，其余位保持不变。 | |||||
| BIC | Bit clear | BIC R0，R0，＃0b1011 ； 该指令清除 R0 中的位 0、1、和 3，其余的位保持不变。 | |||||
| CLZ | Count left zero | 计算操作数最高端0的个数 | |||||
| 乘加指令 | MUL | Multiply | MUL R0，R1，R2 ；R0 = R1 × R2 | ||||
| MLA | Multiply and accumulate | MLAS R0，R1，R2，R3 ；R0 = R1 × R2 + R3，同时设置CPSR中的相关条件标志位 | |||||
| SMULL | Signed multiply long | SMULL R0，R1，R2，R3 ；R0 = （R2 × R3）的低32位 R1 = （R2 × R3）的高32位 | |||||
| SMLAL | Signed mul l and accumulate l | SMLAL R0，R1，R2，R3 ；R0 =（R2 × R3）的低32位＋R0; R1 =（R2 × R3）的高32位＋ R1 | |||||
| UMULL | Unsigned multiply long | UMULL R0，R1，R2，R3 ；R0 = （R2 × R3）的低32位；R1 =（R2 × R3）的高32位 | |||||
| UMLAL | Unsigned mul&accumulate lon | UMLAL R0，R1，R2，R3 ；R0 =（R2 × R3）的低位＋R0；R1 =（R2 × R3）的高32位＋R1 | |||||
| PSR访问 | MRS | Move PSR to register | MRS R0，CPSR ；传送CPSR的内容到R0 | ||||
| MSR | Move register to PSR | MSR CPSR_c ，R0 ；传送R0的内容到CPSR，但仅仅修改CPSR中的控制位域 | |||||
| 加载/存储指令 | LDR | Load word | LDR R0，[R1，R2]！ ；将存储器地址为R1+R2的字数据读入R0，并将新地址R1＋R2写入R1。 | ||||
| LDRB | Load byte | LDRB R0，[R1，＃8] ；将存储器地址为R1＋8的字节数据读入R0，并将R0的高24位清零 | |||||
| LDRH | Load half word | LDRH R0，[R1] ；将存储器地址为R1的半字数据读入寄存器R0，并将R0的高16位清零 | |||||
| LDM | Load multiple | LDMFD R13!，{R0，R4-R12，PC} ；将堆栈内容恢复到寄存器（R0，R4到R12，LR） | |||||
| STR | Store | STR R0，[R1]，＃8 ；将R0中的字数据写入R1为地址的存储器中，并将新地址R1＋8写入R1 | |||||
| STRB | Store byte | STRB R0，[R1，＃8] ；将寄存器R0中的字节数据写入以R1＋8为地址的存储器中 | |||||
| STRH | Store half word | STRH R0，[R1，＃8] ；将寄存器R0中的半字数据写入以R1＋8为地址的存储器中 | |||||
| STM | Store multiple | STMFD R13!，{R0，R4-R12，LR} ；将寄存器列表中的寄存器（R0，R4到R12，LR）存入堆栈 | |||||
| 数据交换 | SWP | Swap word | SWP R0，R1，[R2] ；R2所指的字数据传送到R0，同时R1的数据传送到R2所指的单元 | ||||
| SWPB | Swap byte | SWPB R0，R1，[R2] ；R2所指的字节数据传送到R0，R0高24位清零，同时R1低8位送R2所指单元。 | |||||
| 移位指令 | LSL | Logic shift left | MOV R0, R1, LSL#2（ASL#2） ；将R1中的内容左移两位后传送到R0中,低位用0填充 | ||||
| ASL | Arithmetic shift left | ||||||
| LSR | Logic shift right | MOV R0, R1, LSR#2 ；将R1中的内容右移两位后传送到R0中，左端用零来填充 | |||||
| ASR | Arithmetic shift right | MOV R0, R1, ASR#2 ；将R1中的内容右移两位后传送到R0中，左端用第31位的值来填充 | |||||
| ROR | Rotate right | MOV R0, R1, ROR#2 ；将R1中的内容循环右移两位后传送到R0中 | |||||
| RRX | Rotate right extended | 左端用进位标志位C来填充 | |||||
| 协处理器 | CDP | Data operations | |||||
| LDC | Load | ||||||
| STC | Store | ||||||
| MCR | Move to coproc fr ARM reg | ||||||
| MRC | M to ARM reg fr coprocessor | ||||||
| 并行指令前缀 | S | Signed arithmetic modulo 28 or 216 ,sets CPSR GE bit | |||||
| Q | Signed saturating arithmetic | ||||||
| SH | Signed arithmetic, halving results | ||||||
| U | Unsigned arithmetic modulo 28 or 216 ,sets CPSR GE bit | ||||||
| UQ | Unsigned saturating arithmetic | ||||||
| UH | Unsigned arithmetic ,halving results | ||||||
| 批量传输地址模式 | Block load / store | Stack pop / push | |||||
| IA | Increment after | FD | Full descending | ||||
| IB | Increment before | ED | Empty descending | ||||
| DA | Decrement after | FA | Full ascending | ||||
| DB | Decrement before | EA | Empty ascending | ||||
| ARM指令寻址方式 | 立即寻址 | ADD R0，R0，＃0x3f | R0←R0＋0x3f | ||||
| 寄存器寻址 | ADD R0，R1，R2 | R0←R1＋R2 | |||||
| 间接寻址 | ADD R0，R1，[R2] | R0←R1＋[R2] | |||||
| 变址寻址 | LDR R0，[R1，＃4] | R0←[R1＋4] | |||||
| LDR R0，[R1，＃4]！ | R0←[R1＋4]、R1←R1＋4 | ||||||
| LDR R0，[R1] ，＃4 | R0←[R1]、R1←R1＋4 | ||||||
| LDR R0，[R1，R2] | R0←[R1＋R2] | ||||||
| 多寄存器寻址 | LDMIA R0，{R1，R2，R3，R4} | R1←[R0]；R2←[R0＋4]；R3←[R0＋8]；R4←[R0＋12] | |||||
| 伪指令及伪操作 | |||||||
| 符号定义 | GBLA / LCLA | 定义一个全局 / 局部的数字变量，并初始化为0 | |||||
| GBLL / LCLL | 定义一个全局 / 局部的逻辑变量，并初始化为F（假） | ||||||
| GBLS / LCLS | 定义一个全局 / 局部的字符串变量，并初始化为空 | ||||||
| SETA / SETL / SETS | 给一个数学 / 逻辑 / 字符串变量赋值 | ||||||
| RLIST | 对一个通用寄存器列表定义名称，访问次序为根据寄存器的编号由低到高，与排列次序无关 | ||||||
| 数据定义 | DCB（＝）/ DCW（DCWU） | 分配一片连续的字节 / 半字存储单元并用指定的数据初始化 | 后缀U表示不要求对齐 | ||||
| DCFS（DCFSU）/DCFD（DCFDU） | 分配一片连续的（单 / 双精度的浮点数）字存储单元并用指定的数据初始化 | ||||||
| DCQ（DCQU）/ DCD（DCDU） | 用于分配一片以双字 / 字为单位的连续的存储单元并用指定的数据初始化 | ||||||
| DCDO | 分配字内存但愿，初始化为标号基于静态基址寄存器R9的偏移量 | ||||||
| DCI | 和DCD类似，不同处在于DCI内存中的数据被标识为指令 | ||||||
| SPACE（％） | DataSpace SPACE 100 ；分配连续100字节的存储单元并初始化为0 | ||||||
| MAP（＾） | MAP 0x100，R0 ；定义结构化内存表首地址的值为0x100＋R0 | ||||||
| FIELD（#） | A FIELD 16 ；定义A的长度为16字节 | ||||||
| 控制伪指令 | IF、ELSE、ENDIF | IF 逻辑表达式 | IF、ELSE、ENDIF伪指令能根据条件的成立与否决定是否执行某个指令序列。 | ||||
| 指令序列1 | 当IF后面的逻辑表达式为真，则执行指令序列1，否则执行指令序列2。其中， | ||||||
| ELSE | ELSE及指令序列2可以没有，此时，当IF后面的逻辑表达式为真，则执行 | ||||||
| 指令序列2 | 指令序列1，否则继续执行后面的指令。 | ||||||
| ENDIF | |||||||
| WHILE、WEND | WHILE 逻辑表达式 | WHILE、WEND伪指令能根据条件的成立与否决定是否循环执行某个指令序列。当WHILE后面的逻辑表达式为真，则执行指令序列，该指令序列执行完毕后，再判断逻辑表达式的值，若为真则继续执行，一直到逻辑表达式的值为假。 | |||||
| 指令序列 | |||||||
| WEND | |||||||
| MACRO、MEND | MACRO | $标号在宏指令被展开时，标号会被替换为用户定义的符号， | |||||
| MEXIT | $标号 宏名 $参数1，$参数2，……指令序列 | 宏指令可以使用一个或多个参数，当宏指令被展开时，这些参数被相应的值替换。 | |||||
| MEND | MEXIT用于从宏定义中跳转出去 | ||||||
| AREA | AREA 段名 属性1，属性2，…… | 用于定义一个代码段或数据段。其中，段名若以数字开头，则该段名需用“|”括起来，如|1_test|。 | |||||
| ALIGN | AREA Init，CODE，ALIEN＝3 | 指定后面的指令为8字节对齐 | |||||
| CODE | CODE16、CODE32 | 指定指令序列为16位的Thumb指令或32位的ARM指令 | |||||
| ENTRY | 在一个完整的汇编程序中至少要有一个ENTRY（也可以有多个，当有多个ENTRY时，程序的真正入口点由链接器指定），但在一个源文件里最多只能有一个ENTRY（可以没有）。 | ||||||
| EQU（*） | 名称 EQU 表达式 {，类型} | 为程序中的常量、标号等定义一个等效的字符名称 | |||||
| EXPORT | EXPORT 标号 | 用于在声明一个全局的标号，该标号可在其他的文件中引用。EXPORT可用GLOBAL代替。 | |||||
| IMPORT | IMPORT 标号 | 用于通知编译器要使用的标号在其他的源文件中定义，无论当前源文件是否引用该标号，该标号均会被加入到当前源文件的符号表中 | |||||
| EXTERN | EXTERN 标号 | 用于通知编译器要使用的标号在其他的源文件中定义，但要在当前源文件中引用，如果当前源文件实际并未引用该标号，该标号就不会被加入到当前源文件的符号表中 | |||||
| GET | GET 文件名 | 将一个源文件包含到当前的源文件中，并将被包含的源文件在当前位置进行汇编处理 | |||||
| INCBIN | INCBIN 文件名 | INCBIN伪指令用于将一个目标文件或数据文件包含到当前的源文件中，被包含的文件不作任何变动的存放在当前文件中，编译器从其后开始继续处理 | |||||
| RN | 名称 RN 表达式 | RN伪指令用于给一个寄存器定义一个别名 | |||||
| ROUT | {名称} ROUT | ROUT伪指令用于给一个局部变量定义作用范围。在程序中未使用该伪指令时，局部变量的作用范围为所在的AREA，而使用ROUT后，局部变量的作为范围为当前ROUT和下一个ROUT之间。 | |||||