数据处理指令(Data Processing Instructions)

数据处理指令操控着寄存器中的数据。

包含：数据移动指令，算术运算指令，逻辑运算指令，比较指令和乘法指令。大多数数据处理指令可以通过桶型移位器处理其中一个操作数。

ARM指令集中最大的一族，这族指令的格式相同。如果在数据处理指令中看到 'S' 后缀，那么它将在cpsr(计算机程序状寄存器)中更新标志位。移动和逻辑指令更新 进位标志位 'C' ，取反标志位 'N' , 零标志位 'Z'。 'C' 的设置来自上一位移出的结果 ； 将'N' 设置在在结果的31bit上；如果结果为零，设置 'Z'。

记住，这是一个 load / store架构，这些指令只操作寄存器，而不是内存。

他们在两个操作数上执行特定的操作，并将结果存放到目标寄存器。
第一个操作数总是一个寄存器Rn。
第二个操作数通过barrel shifter送往ALU。

1. 数据移动指令 (MOVE INSTRUCTIONS)

• 概念：copy N( 寄存器/值 ) 到 目标寄存器 Rd。
• 常用数据移动指令 及其 语法

常用数据移动指令 及其 语法

• 例子：

  
  MOV指令示例

2. 桶型移位器 BARREL SHIFTER

• 移位：上述N 在 MOV指令中是一个简单的寄存器，它也可以是一个经过桶型移位器预处理的寄存器Rm。

  数据处理指令在算数逻辑单元(ALU内执行)，ARM一个独特的特点是可以将32位二进制数在进入ALU之前进行移位，增加了数据处理的灵活性。

• ARM 微处理器内嵌的桶型移位器（Barrel Shifter），支持数据的各种移位操作

• 不需要移位器的指令：MUL(multiply),CLZ(count leading zeros), QADD(signed saturated 32-bit add)

• ALU 和 BARREL SHIFTER
  如图：寄存器Rn不经过预处理进入到ALU。Rm经过预处理进入移位器以后再进入ALU。

  
  ALU 和 BARREL SHIFTER

• 例子：寄存器Rm 移动到目标寄存器之前进行逻辑左移logicla shift left（LSL），和标准C语言的 左操作符“<<”是一样的。MOV指令复制左移结果N到寄存器Rd, N代表LSL操作后的结果。

• 操作示例：
  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。

  
  移位前
  

  将寄存器r5进行逻辑左移2位后送到r7寄存器中。

  十进制5的二进制数值是0101，进行逻辑左移2位就是0001_0100, 也就是十进制中的20。其实每逻辑左移1位就相当于原数值进行乘2操作，5逻辑左移2位其实就是5 x 2^2 = 20。

  
  移位后

• 常用移位指令 及其 语法 如下：
  

  常用移位指令 及其 语法
  • ASL 算术左移 ：ASL 和 LSL 是等价的，可以自由互换
  • LSR 逻辑右移：LSR 和 ASR 是等价的，可以自由互换
  • ASR 算术右移：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 循环右移：MOV R0, R1, ROR#2 ；将 R1 中的内容循环右移两位后传送到 R0 中。
  • RRX 带扩展的循环右移：MOV R0, R1, RRX#2 ；将 R1 中的内容进行带扩展的循环右移两位后传送到 R0 中。

逻辑逐位左移

• MOVS例子：

  
  示例

3. 算数运算指令 （ARITHMETIC INSTRUCTIONS）

• 常用算数运算指令 及其 语法 如下：
  N是移位操作后的结果
  常用算数运算指令 及其 语法
• 1.ADC ：带进位加法指令。将N的数据和Rn的值相加，再加上 CPSR 中的C条件标志位，结果保存在Rd寄存器。
  举例如下：
  • ADC R0,R1,#12 ==== R0 = R1 + 12 + C(NZCV标志位)完成64位加法的高位运算
• 2.ADD : 将N与Rn的值相加，结果保存到Rd寄存器。目标寄存器和操作数是同一个寄存器时，可以省略。
  举例如下：
  • ADD R0, R1, #12 ==== R0 = R1 + 12
  • ADD R0, R1, R2 ==== R0 = R1 + R2
  • ADD R0, #12 ==== R0 = R0 + 12
  • ADD R0, R1 ==== R0 = R0 + r1
  • ADDS R3,R1,R2,LSL #2 ====R3 = R1 + R2 * 4

• 3.RSB：逆向减法指令。用N-Rn，结果保存在Rd中。
  举例如下：

  • RSB R3,R1,#0xFF00 ==== R3 = #0xFF00 - R3
  • RSBS R1,R2,R2,LSL #2 ==== R1 = R2*4 -R2 = 3R2

  • RSB R0,R1,#0 ==== R0 = #0 - R1 = -R1

    
    RSB示例，16进制，需要借位，可以用这个指令进行取反操作

• 4.RSC：带进位的逆向减法指令，用N减去N，再减去CPSR 中的C条件标志位，结果保存在Rd寄存器。
  举例如下：

  • RSC R0,R1,#12 ==== R0 = 12 - R1 - C(NZCV标志位)完成64位减法的高位运算

• 5.SBC : 带进位的减法指令。Rn减去N,再减去CPSR 中的C条件标志位的 非(若C标志清零，结果再减去1)，结果保存在Rd寄存器。
  举例如下：

  • SBC R0,R1,#12 ==== R0 = R1 - 12 - !C(NZCV标志位)完成64位减法的高位运算

• 6.SUB : 减法指令，寄存器Rn 减去 N ，结果保存在Rd中。
  举例如下：

  • SUBS R0, #1 ==== R0 = R0 - 1
  • SUBS R2,R1,R2 ==== R2 = R1 - R2

  • SUB R6,R7,#0X10 ==== R6 = R7 - #0X10

    
    SUB示例

SUBS示例，指令执行前
SUBS示例，指令执行后，更新cprs标志位 ZC

4. 使用移位器进行算数运行指令

• 概念：第二个操作数移位的广泛在算数和逻辑运算可用是ARM一个特征。
• 示例：
  r1寄存器首先向左移动一位，得到了2倍r1值以后通过ADD指令加上移位后的结果，最终结果保存在r0寄存器上。

算数移位示例，16进制中f表示15

5. 逻辑运算指令（Logical Instructions）

• 概念：逻辑指令在两个源寄存器中执行按位逻辑操作。
• 常用逻辑运算指令 及其 语法 如下：

常用逻辑运算指令 及其 语法

• OR 指令示例：

  
  逻辑 或 指令 执行前

逻辑 或 指令 执行后

• BIC 指令示例：

逻辑 位清楚指令即 与非 操作 示例

6. 比较指令（Comparison Instruction）

• 概念：比较指令用于用一比较或测试一个32位寄存器的值。根据比较结果更新cpsr寄存器的标志位，但是不影响其他寄存器。当标志位设置以后，通过执行条件信息可以被用到程序的执行流图中。不需要使用后缀'S'来更新标志位。
• 常见的比较指令 及其 语法 如下：
  比较指令执行后根据结果来修改NZCV。

常见的比较指令 及其 语法

cmp ：比较， 适合所有条件 ；
cmn ：cmp的扩展，快速判断两个数是否相反数；
teq ：判断相等，只能和NE或EQ使用；
tst ：位测试, 判断第一操作数，第二操作数为1的那些位是0还是1

• CMP 指令示例：执行指令前，r0 和 r9 寄存器相等。比较指令执行以后标志位Z由 0 变为 1(由小写z 变成大写 Z)，这表示两个寄存器的值相等。

CMP指令

7. 乘法指令（Multiply Instructions）

• 概念：乘法指令将一对儿寄存器的内容相乘。长整型需要一对寄存器，长整型命令格式(结果为64位)。
• 常用乘法指令 及其 语法 如下

常用乘法指令 及其 语法

其中：长整型指令(SMLAL, UMLAL, SMULL, UMULL)产生64位结果。这个结果很大和32位寄存器不匹配，设置为两个寄存器 RdLo和RdHo，RdLo保存64位结果的低32位，RdHo64位结果的高32位。

• MUL指令示例：

MUL指令示例

• UMULL指令示例：

UMULL无符号长整型乘法指令示例