Cortex-M0中断控制和系统控制（六）

周五, 20 八月 2021 - 14:13

Arm处理器是基于精简指令集计算机（RISC）原理设计的，指令集和相关译码机制较为简单，具有32位Arm指令集和16位Thumb指令集，Arm指令集效率高，但是代码密度低，而Thumb指令集具有更好的代码密度，却仍然保持Arm的大多数性能上的优势，它是Arm指令集的子集。所有Arm指令都是可以有条件执行的，而Thumb指令仅有一条指令具备条件执行功能。Arm程序和Thumb程序可相互调用，相互之间的状态切换开销几乎为零。

Cortex-M0处理器基于ARMv6-M架构，是一款功耗和性能较为均衡的处理器。Cortex-M0只支持56条指令的小指令集，其中大部分指令是16位指令。

Arm Cortex-M 指令集对比：

01、指令集

1.1 在处理器内移动数据

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">MOV <Rd>, <Rm> ;Rm and Rn can be high or low registers. 
MOVS <Rd>, <Rm> 
MOVS <Rd>, #immed8 ;8位立即数值</pre>

1.2 存储器访问

确保访问的内存地址是对齐的，这一点很重要。在ARMv6-M架构(包括Cortex-M0和Cortex-M0处理器)上不支持非对齐传输。任何未对齐内存访问的尝试都会导致HardFault异常。

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">LDR <Rt>,[<Rn>, <Rm>] ; Rt = memory[Rn + Rm] 
STR <Rt>,[<Rn>, <Rm>] ; memory[Rn + Rm] = Rt 
LDRH <Rt>,[<Rn>, <Rm>] ; Rt = memory[Rn + Rm] 
STRH <Rt>,[<Rn>, <Rm>] ; memory[Rn + Rm] = Rt 
LDRB <Rt>,[<Rn>, <Rm>] ; Rt = memory[Rn + Rm] 
STRB <Rt>,[<Rn>, <Rm>] ; memory[Rn + Rm] = Rt</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">LDRSH <Rt>,[<Rn>, <Rm>] ; Rt = SignExtend(memory[Rn + Rm]) 
LDRSB <Rt>,[<Rn>, <Rm>] ; Rt = SignExtend(memory[Rn + Rm])</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">LDR <Rt>,[<Rn>, #immed5] ; Rt = memory[Rn + ZeroExtend (#immed5<<2)] 
STR <Rt>,[<Rn>, #immed5] ; memory[Rn + ZeroExtend(#immed5<<2)] = Rt 
LDRH <Rt>,[<Rn>, #immed5] ; Rt = memory[Rn + ZeroExtend (#immed5<<1)] 
STRH <Rt>,[<Rn>, #immed5] ; memory[Rn + ZeroExtend(#immed5<<1)] = Rt 
LDRB <Rt>,[<Rn>, #immed5] ; Rt = memory[Rn + ZeroExtend (#immed5)] 
STRB <Rt>,[<Rn>, #immed5] ; memory[Rn + ZeroExtend(#immed5)] = Rt</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">LDR <Rt>,[SP, #immed8] ; Rt = memory[SP + ZeroExtend(#immed8<<2)] 
STR <Rt>,[SP, #immed8] ; memory[SP + ZeroExtend(#immed8<<2)] = Rt</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">LDR <Rt>,[PC, #immed8] ; Rt =memory[WordAligned(PC+4)+ZeroExtend(#immed8<<2)] 
LDR <Rd>, =immed32 ; pseudo instruction translated to LDR <Rt>,[PC, #immed8] 
LDR <Rd>, label ; pseudo instruction translated to LDR <Rt>,[PC, #immed8]</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">LDM <Rn>,{<Ra>, <Rb>,..} ; Load Multiple 
// Ra = memory[Rn] 
// Rb = memory[Rn + 4], 
// ...
</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">LDMIA <Rn>!, {<Ra>, <Rb>,..} ; Load Multiple Increment After 
LDMFD <Rn>!, {<Ra>, <Rb>,..} 
// Ra = memory[Rn], 
// Rb = memory[Rn + 4], 
// ... 
// and then update Rn to last read address plus 4.</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">STMIA <Rn>!, {<Ra>, <Rb>,..} ; Store Multiple Increment After 
STMEA <Rn>!, {<Ra>, <Rb>,..} 
// memory[Rn] = Ra, 
// memory[Rn + 4] = Rb, 
// ... 
// and then update Rn to last store address plus 4.</pre>

1.3 栈空间访问

1.4 算数运算

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">ADD <Rd>, <Rm> ; Rd = Rd + Rm. Rd, Rm can be high or low registers.</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">ADDS <Rd>, <Rn>, <Rm> ; Rd = Rn + Rm 
SUBS <Rd>, <Rn>, <Rm> ; Rd = Rn – Rm 
ADDS <Rd>, <Rn>, #immed3 ; Rd = Rn + ZeroExtend(#immed3) 
SUBS <Rd>, <Rn>, #immed3 ; Rd = Rn – ZeroExtend(#immed3) 
ADDS <Rd>, #immed8 ; Rd = Rd + ZeroExtend(#immed8) 
SUBS <Rd>, #immed8 ; Rd = Rd – ZeroExtend(#immed8)</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">ADCS <Rd>, <Rd>, <Rm> ; Rd = Rd + Rm + Carry 
SBCS <Rd>, <Rd>, <Rm> ; Rd = Rd – Rm – Borrow</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">ADD SP, SP, #immed7 ; SP = SP + ZeroExtend(#immed7<<2) 
SUB SP, SP, #immed7 ; SP = SP – ZeroExtend(#immed7<<2) 
ADD SP, <Rm> ; SP = SP + Rm. Rm can be high or low register.</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">ADD <Rd>, SP, <Rd> ; Rd = Rd + SP. Rd can be high or low register. 
ADD <Rd>, SP, #immed8 ; Rd = SP + ZeroExtend(#immed8<<2)</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">ADD <Rd>, PC, #immed8 ; Rd = (PC[31:2]<<2) + ZeroExtend(#immed8<<2) 
ADR <Rd>, <label> ; pseudo instruction translated to ADD <Rd>, PC, #immed8</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">RSBS <Rd>, <Rn>,#0 ; Rd = 0 – Rm, Reverse Subtract (negative)</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">CMP <Rn>, #immed8 ; Rd – ZeroExtended(#immed8) 
CMP <Rn>, <Rm> ; Rn – Rm 
CMN <Rn>, <Rm> ; Rn – NEG(Rm)</pre>

1.5 逻辑运算

1.6 移位和循环操作

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">ASRS <Rd>, <Rm>, #immed5 ; Rd = Rm>>immed5 
LSLS <Rd>, <Rm>, #immed5 ; Rd = Rm<<#immed5 
LSRS <Rd>, <Rm>, #immed5 ; Rd = Rm>>#immed5 
ASRS <Rd>, <Rd>, <Rm> ; Rd = Rd>>Rm 
LSLS <Rd>, <Rd>, <Rm> ; Rd = Rd<<Rm 
LSRS <Rd>, <Rd>, <Rm> ; Rd = Rd>>Rm 
RORS <Rd>, <Rd>, <Rm> ; Rd = Rd rotate right by Rm bits 
// Rotate_Left(Data, offset) = Rotate_Right(Data, (32-offset))</pre>

1.7 展开和顺序反转操作

这些反向指令通常用于在小端和之间转换数据大整数。

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">REV <Rd>, <Rm> ; Byte-Reverse Word 
// Rd = {Rm[7:0], Rm[15:8], Rm[23:16], Rm[31:24]}</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">REV16 <Rd>, <Rm> ; Byte-Reverse Packed Half Word 
// Rd = {Rm[23:16], Rm[31:24], Rm[7:0] , Rm[15:8]}</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">REVSH <Rd>, <Rm> ; Byte-Reverse Signed Half Word 
// Rd = SignExtend({Rm[7:0] , Rm[15:8]})</pre>

1.8 扩展操作

它们通常用于数据类型转换。

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">SXTB <Rd>, <Rm> ; Signed Extended Byte 
// Rd = SignExtend(Rm[7:0])</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">SXTH <Rd>, <Rm> ; Signed Extended Half Word 
// Rd = SignExtend(Rm[15:0])
</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">UXTB <Rd>, <Rm> ; Unsigned Extended Byte 
// Rd = ZeroExtend(Rm[7:0])</pre>

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">UXTH <Rd>, <Rm> ; Unsigned Extended Half Word 
// Rd = ZeroExtend(Rm[15:0])</pre>

1.9 程序流控制

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">B <label> ; Branch, Branch range is ±2046 bytes of current PC 
B<cond> <label> ; Conditional Branch, Branch range is ±254 bytes of current PC 
BL <label> ; Branch and Link, Branch range is ±16 MB of current PC 
BX <Rm> ; Branch and Exchange 
BLX <Rm> ; Branch and Link with Exchange</pre>

条件转移指令B

1.10 内存屏障指令

在Cortex-M0和Cortex-M0处理器上支持内存屏障指令，从而在Cortex-M处理器和其他ARM处理器家族中提供更好的兼容性。

//数据内存屏障，确保所有内存访问都完成

//在新的内存访问被提交之前。

//数据同步屏障，确保所有的内存访问都完成

//在执行下一条指令之前。

//指令同步障碍，刷新管道和

//确保之前所有的指令都已完成

//在执行新指令之前。

1.11 异常相关指令

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">SVC <immed8> ; Supervisor call 
CPSIE I ; Enable Interrupt (Clearing PRIMASK) 
CPSID I ; Disable Interrupt (Setting PRIMASK)</pre>

1.12 睡眠模式功能相关说明

//等待中断，停止程序执行，直到一个中断到达，

//如果处理器进入调试状态。

//等待事件，如果设置了内部事件寄存器，则清除

//内部事件注册和继续执行。

//停止程序执行，直到事件(如中断)到达

//如果处理器进入调试状态。

//发送事件，设置本地事件寄存器并发送一个事件脉冲

//多处理器系统中的其他微处理器。

1.13 其他说明

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">NOP ; No Operation 
BKPT <immed8> ; Break point 
YIELD ; Execute as NOP on the Cortex-M0 processor</pre>

02、指令说明

2.1 可访问high registers的指令

绝大部分指令只能访问low registers，也就是只能访问R0~R7寄存器。可以访问high registers的指令只有两条，这两条指令都不更新APSR，指令没有S后缀。

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">MOV <Rd>, <Rm> ; Rm and Rn can be high or low registers. 
ADD <Rd>, <Rm> ; Rd = Rd + Rm. Rd, Rm can be high or low registers.</pre>

其它两条和SP加法有关的可以访问high registers的指令其本质是ADD指令。

2.2 分配临时变量的指令

函数内的临时变量分配到堆栈，进入函数给临时变量分配空间时使用SUB指令。

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">SUB SP, SP, #immed7 ; SP = SP – ZeroExtend(#immed7<<2)</pre>

退出函数释放临时变量空间时使用ADD指令。

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">ADD SP, SP, #immed7 ; SP = SP + ZeroExtend(#immed7<<2)</pre>

上面两条指令的立即数只有7位，最多可以增减SP指针127个字空间，如果超过127个字，使用这条指令：

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">ADD SP, <Rm> ; SP = SP + Rm. Rm can be high or low register.</pre>

只有ADD指令，没有SUB指令，如果需要SUB，那么给Rm赋值负数即可。

2.3 取临时变量地址的指令

在堆栈分配了临时变量空间后，总要取得临时变量的地址才能做进一步的操作。

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">ADD <Rd>, SP, #immed8 ; Rd = SP + ZeroExtend(#immed8<<2)</pre>

立即数不够，可以用寄存器。

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">ADD <Rd>, SP, <Rd> ; Rd = Rd + SP. Rd can be high or low register.</pre>

2.4 RSBS指令

<pre style="overflow-x:auto; background-color:#e9e9e9;">RSBS <Rd>, <Rn>, #0 ; Rd = 0 – Rm, Reverse Subtract (negative)</pre>

这是倒过来的减法，常量减去寄存器值，而且常量只能是0。所以这条指令实质上就是一条取负数指令。

Rd = 0 - Rm

等价于：Rd = -Rm

Rd 寄存器值等于负的 Rm 寄存器值。

来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s/pfzqhB31gUDdbYPvDOzZaQ">灵动MM32MCU</a>
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Cortex-M0中断控制和系统控制（六）

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