访存指令

访存指令用于数据在存储器和处理器寄存器之间传递。有三种访存指令：单寄存器传输指令、多寄存器传输指令，交换指令。

1. 单寄存器传输指令

• 概念：这些指令用于将单数据移入和移出寄存器。数据类型支持有符号和无符号字长(32-bits)，半字长(16-bits)和字节。
• 常用的单寄存器传输指令 及其 语法
  

常用的单寄存器传输指令 及其 语法

其中：
addressing1(数据类型是word, unsigned byte)可用桶形移位器-比例因子是2的倍数；
addressing2(数据类型是半字，有符号半字，有符号字节,以及双字)。

• LDR,STR 指令
  LDR只在存储器加载32-bit字长地址，4字节的倍数-0，4，8...。

示例1.1

以下示例为从寄存器r1中包含的内存地址进行加载，然后将存储返回到存储器中的相同地址。

寄存器r1:
第一条指令：加载寄存器r1指向的内存地址的内容到寄存器r0。

目标寄存器r0:
第二条指令：存储寄存器r0的内容到寄存器r1指向的内存地址。

r1 的偏移为0，寄存器r1为基地址寄存器。

LDR,STR 指令示例

单寄存器寻址模式

ARM指令集提供了不同的寻址模式。这些模式结合了索引方法：带写回的预索引，预索引和后索引。
索引方法如下表所示：

索引方法（ ! 表示写回到基址寄存器）

示例1.2：

寻址前

• 带写回的预索引
  通过基寄存器地址加上地址偏移的计算，然后更新基寄存器地址为新地址。该模式用于遍历数组。

解析：
基寄存器r1:
r1地址和偏移量相加，新地址为：mem32[0x00009000+0x00000004] -- mem32[0x00009004]，基寄存器r1地址更新为这个新地址：即 r1 = 0x00009004；

目标寄存器r0:
加载更新后的寄存器r1指向的内存地址的内容到r1。
mem32[0x00009004] = 0x02020202, r1现在地址存储的内容是 0x02020202，即r0 = 0x02020202

preindex with writeback

• 预索引
  与上面相反，索引偏移和带写回的预索引一样但是不更新基寄存器地址。该模式用于在访问数据结构中的元素时间。
  解析：
  基寄存器r1:
  r1地址和偏移量相加，新地址为：mem32[0x00009000+0x00000004] -- mem32[0x00009004]，基寄存器r1地址地址不更新，不变，即 r1 = 0x00009000

  目标寄存器r0:
  r1的地址不变，但是由于偏移后的地址为0x00009004，mem32[0x00009004] = 0x02020202, 即r0 = 0x02020202

preindexing

• 后索引
  当地址被用了以后只是更新基寄存器地址。该模式用于遍历数组。
  解析：
  基寄存器r1:
  r1地址和偏移量相加，新地址为：mem32[0x00009000+0x00000004] -- mem32[0x00009004]，因为地址被用了，所以只更新基寄存器r1地址更新为这个新地址：即 r1 = 0x00009004；

  目标寄存器r0:
  在这个模式下，目标寄存器加载源地址指向的内容。mem32[0x00009000] = 0x01010101, 即 r0 = 0x01010101。

postindexing

• 小结：
  示例1.2 使用了preindex方法，展现了每一个索引方法是如何影响 寄存器 r1 地址的，以及加载到 寄存器 r0 中的数据内容。每一个指令展现了在同一个先决条件的索引方法结果。

• 总结1：
  下表为LDR 指令的不同变化：

  
  不同寻址模式的LDR指令集

• 总结2：
  下表为使用16-bits半字长或有符号字节数据访存时可用的寻址方式：

2. 多寄存器传输指令

• 概念：多寄存器传输指令在一个指令下，可以在内存和寄存器中传递多个寄存器。传输从指向存储器的基地址寄存器Rn开始；多寄存器传输指令可提高效率，例如：数据块的操作，上下文切换，堆栈操作；
  多寄存器传输指令会增加中断延时（不会打断正在执行的指令）。ARM不支持经常中断当执行的时候。
  编译器比如armcc提供了switch指令可以控制一条load-store指令最大寄存器数目，限制了最大中断延迟。
• 常用的多寄存器传输指令 及其 语法

多寄存器传输指令 及其 语法

下表为多寄存器传输指令的不同寻址模式，N 为寄存器个数。
基地址寄存器Rn决定了多寄存器传输指令的源地址和目标地址。通过下面的转换，寄存器可以自动更新。

多寄存器传输指令的不同寻址模式

• IA 执行后增加

• IB 执行前增加

• DA 执行后减少

• DB 执行前减少
  更新基地址的load-store指令对，用于类似成对的push pop操作，
  STMIA - LDMDB
  STMIB - LDMDA
  STMDA - LDMIB
  STMDB - LDMIA

• LDMIA 指令示例：
  下例中，寄存器r0是基寄存器Rn阶乘，表示指令执行后更新寄存器。可以注意到，在多寄存器传输指令中寄存器没有单独列出，而是用符号 " - " 代表一段寄存器范围。在这个例子中，寄存器范围是从寄存器r1 到 r3。
  每一个寄存器可以列出，用圆括号 { 和 } 来分开每一个寄存器。

指令执行前

在先决条件下，基址寄存器r0指向的内存地址为 0x80010 ，内存地址0x80010，0x80014和0x80018上相应存储的值是0x01,0x02 和 0x03.

下图为图形表示：

LDMIA 指令 Per-condition 图形表示

多寄存器传输指令LDMIA执行后，寄存器r1, r2 和 r3 包含的值如下图所示：
基寄存器r0 在上个字长加载以后，现在指向内存地址 0x8001c。

LDMIA 指令 Post-condition 图形表示 指令执行后

• LDMIB指令示例

使用和上面相同的LDMIA 指令 中的Per-condition，寄存器r0指向的第一个字长忽略，寄存器r1从下一个内存地址加载，如下图所示：

LDMIB 指令 Post-condition 图形表示

多寄存器传输LDMIB指令执行后,寄存器r0 现在指向最后一次被加载后的内存地址 0x8001c，和LDMIA指向下一个内存地址相反

LDMDA和LDMDB 指令从起始地址减少并存储到上升的内存地址。

使用增加和减少的多寄存器传输指令，可以前向和后向访问数组，允许堆栈的push和pull操作。

堆栈操作

ARM结构用多存储器传输指令执行堆栈操作。
pop : 从堆栈中移除数据
push: 数据放入堆栈
在使用堆栈时要决定是 ascending（A）还是 descending（D）: 升序是堆栈朝着高地址增长，降序是朝着低地址增长。
堆栈3个属性，堆栈基址、堆栈指针（sp）、堆栈限制；
当使用full stack(F)，sp指向最后一个地址或满地址；
当使用empty stack(E)，sp指向第一个或空的地址。
ARM-Thumb过程调用标准（ATPCS）定义了例程如何被调用和寄存器如何分配；
ATPCS定义堆栈为递减式满堆栈(Descending-Full stack);
堆栈检查enable时，ATPCS定义r10为堆栈限制或sl（stack limit）； 备注：push堆栈溢出错误，pop堆栈下溢(stack underflow)错误。
下表为支持堆栈操作的可用寻址方式：

支持堆栈操作的可用寻址方式

3. 交换指令

• 概念：交换指令是一个特殊的访存指令。它交换内存个寄存器的内容。是原子操作，会占据总线，直至交换完成。

• 常用的交换指令 及其 语法：

  
  交换指令 及其 语法

交换不能被其他指令或总线访问中断，这是系统占用总线直到完成。

• 示例：Swap指令从内存加载一个字长到寄存器r0，然后用寄存器r1覆写内存。

  
  Swap指令示例

这个指令在一个操作系统中当生成信号量semaphore和互斥时特别有用。