2.2 指令系统

CPU的功能是从外部设备获得数据，通过加工、处理，再把处理结果送到CPU的外部世界。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2-4所示为ARM Cortex-M指令集概况。在ARM系统中，架构（Architecture）即体系结构，主要指使用的指令集，由同一架构可以衍生出许多不同处理器型号。对ARM而言，其他芯片厂商，可由ARM提供的一种处理器型号具体生产出许多不同的MCU或应用处理器型号。ARMv7-M是一种架构型号，其中v7是指版本号，而基于该架构处理器的有Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M4F等。

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系列共有的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不仅支持所有的Thumb和Thumb-2的全部指令，还支持浮点运算指令、DSP扩展指令等。常用的指令大体分为数据操作指令、转移指令、存储器数据传送指令和其他指令四大类，如表2-5所示。其他指令需要时请查阅《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处理器所需的操作数可能来自寄存器、指令代码、存储单元。而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“{}”表示其中可选项。例如，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，随着指令一起被编译成机器码存储于程序空间中，用“#”作为立即数的前导标识符。ARM Cortex-M4立即数范围为0x00～0xff。例如：

2）寄存器寻址

在寄存器寻址中，操作数来自于寄存器。例如：

3）直接寻址

在直接寻址方式中，操作数来自于存储单元，指令中直接给出存储单元地址。指令码中，显示给出数据的位数，有字（4字节）、半字（2字节）、单字节3种情况。例如：

4）偏移寻址及寄存器间接寻址

在偏移寻址中，操作数来自于存储单元，指令中通过寄存器及偏移量给出存储单元的地址。偏移量不超过4KB（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：

2.2.2 数据传送类指令

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

1. 取数指令

存储器中内容加载（Load）到寄存器中的指令如表2-6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指令是指加载存储单元的半字、字节有符号数扩展成32位到指定寄存器Rt。

在LDM Rn{!}，reglist指令中，Rn表示存储器单元起始地址的寄存器；reglist包含一个或多个寄存器，若包含多个寄存器必须以“，”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，在数据传送完毕之后，最后的地址将写回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的任意组合；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

寄存器中内容存储（Store）至存储器中的指令如表2-7所示。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至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列表中包含了Rn寄存器，则Rn寄存器必须位于列表首位。如果列表中不包含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

如表2-8所示，MOV指令中，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，丢弃第0位；当出现跳转时，传送值的第0位清零后的值作为跳转地址。虽然MOV指令可以用作分支跳转指令，但强烈推荐使用BX或BLX指令。这些指令影响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2-9所示。PUSH指令将寄存器值存于堆栈中，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列表中包含了PC寄存器，在POP指令执行完成时跳转到该指针PC所指地址处。该值最低位通常用于更新xPSR的T位，此位必须置1，才能确保程序正常运行。

例如：

5. 生成与指针PC相关地址指令

如表2-10所示，ADR指令将指针PC值加上一个偏移量得到的地址写进目标寄存器中。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。这条指令主要提供编译阶段使用，一般可看成一条伪指令。

2.2.3 数据操作类指令

数据操作主要指算术运算、逻辑运算、移位等。

1. 算术运算类指令

（1）算术运算类指令有加、减、乘、比较等，如表2-11所示。

（2）加、减指令对操作数的限制条件，如表2-12所示。

2. 逻辑运算类指令

逻辑运算类指令如表2-13所示。AND、EOR和ORR指令把寄存器Rn、Rm值逐位与、异或和或操作；BIC指令是将寄存器Rn的值与Rm的值的反码按位做逻辑“与”操作，结果保存到Rd。这些指令更新N、Z状态标志，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2-14所示。ASR、LSL、LSR和ROR指令，将寄存器Rm的值由寄存器Rs或立即数imm决定移动位数，执行算术右移、逻辑左移、逻辑右移和循环右移。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指令移位长度范围为1～32，LSL指令移位长度范围为0～31，LSR指令移位长度范围为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作有符号数，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C标志位。

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。根据结果，ROR指令对标志位N、Z有影响，最后移出位更新C标志位。

4. 位测试指令

位测试指令如表2-15所示。

5. 数据序转指令

数据序转指令如表2-16所示，该指令用于改变数据的字节顺序。Rn为源寄存器，Rd为目标寄存器，且必须为R0～R7之一。REV指令将32位大端数据转小端存放或将32位小端数据转大端存放；REV16指令将一个32位数据划分为两个16位大端数据，将这两个16位大端数据转小端存放或将一个32位数据划分为两个16位小端数据，将这两个16位小端数据转大端存放；REVSH指令将16位带符号大端数据转为32位带符号小端数据，或者将16位带符号小端数据转为32位带符号大端数据，如图2-4所示。这些指令不影响N、Z、C、V状态标志。

6. 扩展类指令

扩展类指令如表2-17所示。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。这些指令不影响N、Z、C、V状态标志。

2.2.4 跳转控制类指令

跳转控制类指令如表2-18所示，这些指令不影响N、Z、C、V状态标志。

跳转控制类指令举例如下，特别注意BL用于调用子程序。

B指令所带条件众多，形成不同条件下的跳转，但只在前256字节至后254字节地址范围内跳转。B指令所带的条件如表2-19所示。

2.2.5 其他指令

未列入数据传输类、数据操作类、跳转控制类三大类的指令，归为其他指令，如表2-20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，实际编程时，由宏函数给出。

下面对两条休眠指令WFE与WFI做简要说明。这两条指令均只用于低功耗模式，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时才执行：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置位；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，产生的中断将会先占，或者发生触发调试请求（不论调试是否被使能）。