指令和偽指令概念

指令
指令指的是CPU機器指令的助記符，是由CPU的指令集提供的，經過編譯之後，會以二進位制機器碼的形式由CPU讀取執行

偽指令
偽指令本質上不是指令，和CPU的機器指令沒有任何關係，只是和指令一起寫在程式碼中而已，是由編譯器環境提供的，其目的是用於指導編譯過程，偽指令經過編譯後不會生成二進位制機器碼，僅僅在編譯階段有效果

指令程式設計風格
ARM官方風格
官方風格指令一般使用大寫，例如：LDR R0,[R1]，Windows中常使用這種風格

GUN Linux風格
指令一般使用小寫字母，例如：ldr r0,[r1]，Linux環境中常用這種風格

ARM彙編特點

LDR/STR架構
採用RISC架構，CPU本身不能直接讀取記憶體，而需要把記憶體中的資料載入到CPU的通用暫存器中，才能被CPU處理
ldr（load register）將記憶體中的資料載入到通用暫存器
str（store register）將暫存器內容存入記憶體空間
ldr和str組合，可以實現ARM CPU和記憶體的資料交換

8種定址方式
暫存器定址：move r1,r2：把r2的值賦值到r1暫存器中

立即定址：move r0,#0xFF00：把立即數0xFF00賦值給r0暫存器

暫存器移位定址：move r0,r1,lsl #3：把r1左移三位(*8)之後的值賦值給r0暫存器

暫存器間接定址：ldr r1,[r2]：暫存器有中括號，表示記憶體地址對應的資料，所以這裡r2表示一個記憶體地址,[]表示取r2指標對應的資料，這句程式碼的意思是把r2對應的記憶體中的資料賦值給r1

基址變址定址：ldr r1,[r2,#4]：將指標r2的值(記憶體地址)+4之後指向的資料賦值給r1

多暫存器定址：ldmia r1!,{r2 - r7,r12}：這種情況下，r1是一個指標，裡邊存放的記憶體地址，然後以r1裡邊的記憶體地址為基地址，向後以此加1得到{}裡的暫存器數量個記憶體地址，然後將剛才得到的這些記憶體地址指向的變數的值賦值給{}裡的對應位置的暫存器，類似從記憶體中讀取陣列，然後把陣列的元素依次賦值給這些暫存器

堆疊定址：stmfd sp!,{r2 - r7,lr}：和多暫存器類似，區別是將棧SP中連續訪問{}數量個位元組，然後依次賦值給{}裡的暫存器

相對定址：beq flag:：flag:標號用於標記標號後面那句指令的地址，常用來表示入口點，函式名就是一個標號，C語言中的goto就可以跳轉到一個標號，在ARM彙編中用指令b flag:就可以跳轉到flag:對應的標號處執行，和beq flag:是一樣的，其原理是相對於PC程式位置暫存器做一個偏移

指令字尾

ARM中的指令可以帶字尾，從而豐富該指令的功能，這種形式叫做指令族，常用的字尾有：
B(byte)：功能不變，操作長度變為8位(依賴CPU位數，以下相同)
H(Halfword)：功能不變，操作長度變為16位
S(signed)：功能不變，運算元變為有符號數
S(S標識)：影響CPSR裡的NZCV標識位，

舉例：
ldr指令族：ldrb,ldrh,ldrsb ldrsh，從記憶體中載入指定長度的資料
mov指令族：movs r0,#0，結果是0，賦值會影響CPSR的NZCV標識，將Z位置為1
條件執行字尾
條件執行字尾用於限制該執行執行的，只有在符合條件之後才能夠執行該指令

舉例：moveq r0,r1，如果eq成立，執行mov r0,r1，不成立則該條不執行，和C語言中的條件判斷類似
條件字尾成立與否，不是取決於本條指令，而是取決於之前指令執行後的結果
條件字尾決定了本條指令是否執行，不會影響之前和之後指令
條件字尾和CPSR的NZCV位相關，例如，如果上一句程式碼執行的結果將Z置為1，下一句帶有eq條件字尾的語句就會被執行

多級指令流水線

多級流水線用於增加處理器處理指令的速度，
允許CPU同時非同步的執行多條指令，而非上一條指令全部執行完畢之後才會執行下一條指令
多級可以簡單那理解為把一條指令分為多個步驟來非同步執行，例如：
CPU把一條指令分為[取址，解碼，執行]3個步驟，則為3級指令流水線
第一條指令進行取值操作
第一條指令取值完畢，進入解碼操作，第二條指令緊隨其後就開始執行取值操作
第一條指令解碼完畢，進入執行操作，第二條指令緊接著進入解碼操作，同時第三條指令進入取值操作
第一條指令執行完畢，第二條指令進入執行操作，第三條指令進入解碼操作，第四條指令進入取值操作，依次類推
可見，多級流水線可以提高同時執行指令的數量，從而加速指令執行
需要注意的是，PC指向的是正在取值的指令，而非正在執行的指令，之間的差值就是流水線級數和單位元組長度的乘積，在中斷返回到PC的時候需要注意這個問題
ARM指令
資料處理指令
資料傳輸指令
mov：move，在兩個暫存器之間或者立即數和暫存器之間傳遞資料，將後一個暫存器上的值或者立即數賦值給前一個暫存器
例如：mov r1,r0
mov r1,#0xFF：將立即數0xFF賦值給暫存器r1
mvn：和mov用法一致，區別是mvn會把後一個暫存器的值或者立即數按位取反後賦值給前一個暫存器
例如：mvn r0,#0xFF，則r0的值為0xffffff00(32位資料)
算術運算指令
add：加法運算
sub：減法運算
rsb：反減運算
adc： 帶進位的加法運算
sbc： 帶進位的減法運算
rsc：帶進位的反減指令
邏輯指令
and：與操作
orr：或操作
eor：異或操作
bic：位清除操作
比較指令
cmp：比較大小
cmn：取反比較
tst：按位與運算
teq：按位異或運算
乘法指令
mvl： mla： umull： umlal： smull： smlal：
前導0計數
clz：統計一個數的二進位制位前面有幾個0
CPSR訪問指令
mrs
用於讀取CPSR和SPSR

msr
用於寫CPSR和SPSR

CPSR和SPSR
CPSR是程式狀態暫存器，整個Soc只有一個
SPSR在五種異常模式下各有一個，用於從普通模式進入異常模式的時候，儲存普通模式下的CPSR，在返回普通模式時可以恢復原來的CPSR
跳轉分支指令
b指令： 無條件直接跳轉，沒打算返回
bl指令：跳轉前把返回地址放入lr中，以便返回，常用在函式中
bx指令：跳轉同時切換到ARM模式，用於異常處理的跳轉
記憶體訪問指令
ldr：載入指定記憶體地址的資料到暫存器，按照位元組訪問
str：載入指定暫存器資料到記憶體地址中，按照位元組訪問
ldm：和ldr功能一樣，一次多位元組多暫存器訪問
stm：和str功能一樣，一次多位元組多暫存器訪問
swp：記憶體和暫存器互換指令，一邊讀一邊寫，例如：
swp r1,r2,[r0]：讀取指標r0的資料到r1中，同時把r2的資料賦值給r0指標指向的變數
軟中斷指令
swi(software interrupt)，在軟體層模擬產生一箇中斷，這個中斷會傳送給CPU，常用於實現系統呼叫

立即數
非法與合法
ARM指令都是32為，除了指令標記和操作標記外，只能附帶少位數的立即數，所以有非法與合法之分

非法立即數：
合法立即數：經過任意位數的移位後，非0部分可以用8位表示就是合法立即數

協處理器與指令

協處理器
協處理器屬於Soc中另外一顆核心，用於協助主CPU實現某些功能，被主CPU呼叫來執行任務，協處理器和MMU，Cache，TLB有功能和管理上的聯絡
ARM設計可以支援多達16個協處理器，但是一般只實現其中的CP15

協處理器指令
mrc：讀取CP15中的暫存器
mcr：向CP15中的暫存器寫資料
指令用法：mcr{<”cond”>} p15,<”opcode_1”>,<”Rd”>,<”Crn”>,<”Crm”>,{<”opcode_2”>}
opcode_1：對於CP15永遠為0
Rd：ARM通用暫存器
Crn：CP15暫存器，取值範圍c0~c15
Crm：CP15暫存器，一般為c0
opcode_2：省略或者為0
ldm,stm和棧
ldm,stm
ldr與str只能訪問4個位元組，當資料較大的時候，就會明顯的降低效率，這時就需要使用到ldm和stm，ldm與stm是大量的從暫存器與記憶體交換資料的方式，常用於在記憶體和暫存器之間大量讀取和寫入資料：

stmia sp {r0 - r12}：stm表示進行批量資料操作，ia的意思是將r0存入SP的記憶體地址處，然後SP記憶體地址+4(32位)，將r1存入該地址，記憶體地址再+4，存入r2，依次存到r12，
這就是一個暫存器和記憶體交換大量資料的示例，在一個週期內完成了多個記憶體地址和多個暫存器的操作。
除了ia字尾，還有多個不同功能的字尾：
ia：increase after，後增加，表示每個操作的時候，先傳輸資料，後增加記憶體地址，
ib：increase before，先增加，表示在每個操作的時候，先增加記憶體地址，再進行資料傳輸
da：decrease after：和ia一樣，差別在於減少地址
db：decrease before：和ib一樣，差別在於減少地址
fd：full decrease：滿遞減堆疊，檢視棧的描述
ed：empty decrease：空遞減堆疊
fa：滿遞增堆疊
ea：空遞增堆疊
操作棧時使用相同的字尾就不會出錯
堆疊(棧)
空棧：棧指標指向空位，每次可以直接存入，然後棧指標(SP)遞增或者遞減1格，取的時候要遞增或者遞減1格才能取出
滿棧：SP指向棧最後1格資料，存入的時候需要先移動1格才能存入，取的時候可以直接取出
增棧：SP向地址增加的方向移動
減棧：SP向地址減少的方向移動
組合起來就可以成為空增/減棧，滿增/減棧。四種形式

彙編中的符號

！號的作用
在彙編中常見”!”符號，究竟是用來幹嘛的呢？
例如：

ldmia r0,{r2 - r3}：資料傳輸完畢之後指標r0的記憶體地址值還是第一次操作之前的值
ldmia r0!,{r2 - r3}：資料傳輸完畢之後指標r0的記憶體地址值是最後一次操作後的值
^號的作用
那麼^號又是什麼作用呢？
例如：

ldmfd sp!,{r0 - r6,pc}
ldmfd sp!,{r0 - r6,pc}^
作用：當目標暫存器中有pc時，會同時將SPSR寫入到CPSR，一般用於從異常返回。

偽指令
偽指令的作用用於指導編譯過程，偽指令並不是指令，編譯後並不會生成二進位制機器碼，偽指令是和具體的編譯環境有關的，我們使用的GNU編譯工具鏈，所以需要使用GNU下的彙編偽指令。

GNU彙編符號
[@，#，//，/~/]：註釋，和C語言的//是一樣的
:：冒號，在彙編中以冒號結尾的是標號，標號標記標號後面的指令的地址，
.：點號，代表當前指令的地址，例如：[b .]指令會進入死迴圈
#：#或者$號後面跟著數值，代表一個立即數(不區分進位制)
偽指令
.global _start：給_start外部可連結屬性，可以在外部檔案中訪問_start
.section .text：指定當前段為程式碼段
.ascii .byte .short .long .word .quad .float .string：定義各種型別的資料
.align 4：以16位元組對齊
.balignl 16 0x3C：b表示填充，align表示對齊，l表示long，以4位元組為單位填充，16表示以16位元組對齊，0x3C是用來填充的原料
.equ：巨集定義
.end：表示一個檔案的結束
.include：用於包含標頭檔案
.arm / .code32：宣告以下的程式碼是arm指令
.thumb / .code16：宣告以下的程式碼是thumb指令
比較重要的偽指令
nop：空操作，什麼也不執行
ldr：大範圍地址載入指令，把記憶體地址載入到暫存器中，和ldr指令是有區別的
ldr指令附帶立即數要考慮合法性問題，只能帶合法立即數，帶的立即數字首#號
ldr偽指令，不用考慮立即數合法問題，帶的立即數前面是一個=號，藉助了編譯器環境文字池的幫助，幫忙載入非法立即數
ldr可以載入的地址比較廣，載入的地址和連結時給的地址有關，由連線指令碼決定，在連結時確定，編譯時會被mov或者以文字池方式處理
adr：小範圍地址載入指令，可載入的範圍比較小
adr：總是以P C為基準來表示地址，則該地址為相對地址，要在執行的時候才能確定，因此該指令和執行地址有關，可以用於檢測程式當前執行地址在哪裡，編譯時會被sub或者add替代
adrl：中等範圍地址載入指令