ARM指令集(Instruction Set)细节

ARM指令集(Instruction Set)细节

本文旨在深入探讨 ARM 指令集(Instruction Set)的细节。这是一个非常广泛的主题，我会将其分解为关键概念、不同版本的区别以及核心特性，并提供一些示例。

ARM 指令集的核心在于 RISC（精简指令集计算机） 设计哲学，这意味着：

• 指令数量少且规整：大多数指令长度固定（通常是32位或16位），格式一致，解码简单。
• 加载-存储架构：只有专门的加载（LDR）和存储（STR）指令可以访问内存。所有算术和逻辑运算都是在寄存器之间进行的。
• 大量的通用寄存器：拥有16个（在AArch32下）或31个（在AArch64下）通用寄存器，减少了访问内存的次数，提高了效率。

1. 两种主要指令集状态：AArch32 与 AArch64

AArch32/64的全称是 ARM Architecture 32/64-bit

这是理解现代 ARM 指令集的首要概念。ARMv8 架构引入了 64 位执行状态，并向后兼容 32 位。

2. AArch32 下的指令集变体

在 32 位世界中，处理器可以在两种主要状态之间切换：

a. ARM 指令集 (32-bit)

• 特点：高性能、全功能。所有指令都是 32 位宽。
• 条件执行：这是 ARM 模式的一个标志性特性。几乎每条指令都可以根据 APSR（程序状态寄存器）中的条件标志（N, Z, C, V）来条件地执行。
  • 示例：ADDEQ R0, R1, R2 ; 如果相等（Z=1），则执行 R0 = R1 + R2
• 灵活的第二个操作数：
  • 示例 1: ADD R0, R1, #42 ; 立即数
  • 示例 2: ADD R0, R1, R2 ; 寄存器
  • 示例 3: ADD R0, R1, R2, LSL #3 ; 寄存器 R2 逻辑左移 3 位后的值
  • 示例 4: ADD R0, R1, R2, ROR R3 ; 寄存器 R2 循环右移 R3 位后的值

b. Thumb / Thumb-2 指令集 (16/32-bit)

• 初衷 (Thumb)：提供更高的代码密度。指令是 16 位的，因此占用的内存空间更小。性能通常低于 ARM 模式，因为需要更多指令来完成相同任务。
• 进化 (Thumb-2)：ARMv6T2 及以后版本引入。它混合了 16 位和 32 位指令，在保持高代码密度的同时，提供了接近 ARM 模式的性能。Thumb-2 是现代 Cortex-M 和 Cortex-R 系列处理器唯一支持的指令集状态（它们无法执行传统的 32 位 ARM 指令）。
• 特点：指令长度可变（2 字节或 4 字节），条件执行能力有限（主要用于分支指令）。

3. AArch64 下的 A64 指令集

这是纯粹的 64 位指令集，设计上吸取了 AArch32 的经验教训。

• 固定长度：所有指令都是 32 位宽，解码简单。
• 取消大规模条件执行：只有分支、比较和少数其他指令支持条件执行。这释放了宝贵的指令编码空间，用于其他功能。
• 新的指令编码：拥有 31 个通用寄存器（X0-X30），64位（X）和32位（W）视图。
  • ADD X0, X1, X2 ; 64位加法
  • ADD W0, W1, W2 ; 32位加法，结果高32位清零
• 改进的立即数和寻址模式：虽然不如 AArch32 灵活，但仍然功能强大。
• 零寄存器：XZR/WZR 寄存器始终返回 0，简化了许多操作（例如，比较、清零）。
  • 示例：MOV X0, XZR ; 将 X0 清零 (实际上是一条 ORR 指令的别名)

4. 关键指令类别（通用）

a. 数据处理指令

• 算术运算：ADD, ADC (带进位加), SUB, SBC (带借位减), MUL, MLA (乘加)
• 逻辑运算：AND, ORR (或), EOR (异或), BIC (位清除, A AND NOT B)
• 移位操作：LSL (逻辑左移), LSR (逻辑右移), ASR (算术右移), ROR (循环右移)
• 比较指令：CMP (比较，本质上是 SUBS), CMN (负数比较), TST (位测试，本质上是 ANDS), TEQ (相等测试)

b. 加载-存储指令

这是 ARM 架构的基石。

• 单寄存器传输：
  • LDR R0, [R1] ; 从 R1 指向的地址加载一个字到 R0
  • STR R0, [R1] ; 将 R0 中的字存储到 R1 指向的地址
  • 支持前变址、后变址等多种寻址模式：
    • LDR R0, [R1, #4]! ; 前变址：地址 = R1+4，然后 R1 = R1+4
    • LDR R0, [R1], #4 ; 后变址：地址 = R1，然后 R1 = R1+4
• 多寄存器传输：LDM (加载多个), STM (存储多个)，用于高效地操作堆栈和内存块。
  • 示例：STMDB SP!, {R4-R11, LR} ; 压栈：将寄存器 R4-R11 和 LR 压入堆栈 (在函数开头)
  • 示例：LDMIA SP!, {R4-R11, PC} ; 出栈：从堆栈恢复 R4-R11，并将返回地址直接装入 PC (函数返回)

c. 分支与控制流指令

• B label ; 无条件跳转到标签 label
• BL label ; 分支并链接：跳转到标签，同时将返回地址 (PC+4) 存入 LR (R14)。用于函数调用。
• BX R0 ; 分支并交换指令集（例如，从 ARM 切换到 Thumb，反之亦然）
• RET X30 ; (A64) 从函数返回，相当于 MOV PC, LR

d. 协处理器和系统指令

• MRS R0, CPSR ; 将特殊寄存器（如 CPSR）的值移动到通用寄存器 R0
• MSR CPSR, R0 ; 将 R0 的值移动到特殊寄存器
• SVC #0x80 ; (AArch32) 发起一个系统调用（软件中断）
• HVC, SMC ; 用于虚拟化和安全监控调用

5. 条件执行（AArch32 的精华）

条件码附加在指令助记符的后面。条件基于 APSR 中的标志位：

示例：高效的除法余数计算

; C 代码: if (a > b) { a = a - b; }
; R0 = a, R1 = b
CMP R0, R1       ; 比较 a 和 b
SUBHI R0, R0, R1 ; 如果 a > b (无符号), 则执行 a = a - b
; 这避免了分支指令，提高了效率（无流水线冲刷）。

总结

• ARM (AArch32)：功能强大，灵活性高，以条件执行和灵活的桶式移位器为特点。
• Thumb-2：代码密度高，性能好，是 Cortex-M 系列的默认和唯一选择。
• A64 (AArch64)：现代 64 位设计，规则化，拥有更多寄存器，专注于性能和能效，用于高端应用处理器。

理解 ARM 指令集的关键在于实践。使用 QEMU 模拟器或一块简单的开发板（如 Raspberry Pi 或 STM32 Nucleo），通过反汇编编译器生成的代码，是学习细节的最佳方式。