数据传送指令之：单寄存器的Load/Store指令

 

5.3  单寄存器的Load/Store指令

Load/Store内存访问指令在ARM寄存器和存储器之间传送数据。ARM指令中有3种基本的数据传送指令。

① 单寄存器Load/Store指令（Single Register）

这些指令在ARM寄存器和存储器之间提供更灵活的单数据项传送方式。数据项可以是字节、16位半字或32位字。

② 多寄存器Load/Store内存访问指令

这些指令的灵活性比单寄存器传送指令差，但可以使大量的数据更有效地传送。它们用于进程的进入和退出、保存和恢复工作寄存器以及拷贝存储器中的一块数据。

③ 单寄存器交换指令（Single Register Swap）

这些指令允许寄存器和存储器中的数值进行交换，在一条指令中有效地完成Load/Store操作。它们在用户级编程中很少用到。它的主要用途是在多处理器系统中实现信号量（Semaphores）的操作，以保证不会同时访问公用的数据结构。

5.3.1  字数据传送指令

这种指令用于把单一的数据传入或者传出一个寄存器。支持的数据类型有字节（8位）、半字（16位）和字（32位）。

表5.1总结了所有单寄存器的Load/Store指令。

表5.1       单寄存器Load/Store指令

指    令	作    用	操    作
LDR	把一个字装入一个寄存器	Rd←mem32[address]
STR	将存储器中的字保存到寄存器	Rd→mem32[address]
LDRB	把一个字节装入一个寄存器	Rd←mem8[address]
STRB	将寄存器中的低8位字节保存到存储器	Rd→mem8[address]
LDRH	把一个半字装入一个寄存器	Rd←mem16[address]
STRH	将寄存器中的低16位半字保存到存储器	Rd→mem16[address]
LDRBT	用户模式下将一个字节装入寄存器	Rd←mem8[address] under user mode
STRBT	用户模式下将寄存器中的低8位字节保存到存储器	Rd→mem8[address] under user mode
LDRT	用户模式下把一个字装入一个寄存器	Rd←mem32[address]under user mode
STRT	用户模式下将存储器中的字保存到寄存器	Rd→mem32[address] ]under user mode
LDRSB	把一个有符号字节装入一个寄存器	Rd←sign{mem8[address]}
LDRSH	把一个有符号半字装入一个寄存器	Rd←sign{mem16[address]}

 

1．LDR指令

（1）指令编码格式

LDR指令用于从内存中将一个32位的字读取到目标寄存器。

指令的编码格式如图5.3所示。

图5.3  LDR指令编码格式

 

LDR指令根据<addr_mode>所确定的地址模式将一个32位字读取到指令中的目标寄存器<Rd>。如果指令中的寻址方式确定的地址不是字对齐的，则读出的数值要进行循环右移。所移位数为寻址方式确定的地址bits[1∶0]8的倍，也就是说处理器将取到的数值作为字的最低位处理。

如果设置了L位，则进行装载，否则进行存储。

如果设置了P位，则使用预先变址寻址，否则使用过后变址寻址。

如果设置了U位，则给出的偏移量被加到基址寄存器上，否则从中减去偏移量。

如果设置了B位，传送内存的一个字节，否则传送一个字。这在助记符末尾添加后缀“B”，如MOV r7，r5变为MOVB r7，r5。

W位的解释依赖于使用的地址模式。

·  对于预先变址寻址，设置W位强制把它用做地址转换的最终地址写回基址寄存器中（例如，传送的副作用是Rn:= Rn +/-offset。这在汇编器中表示为给指令加上后缀“!”。)。

·  对于过后变址寻址，地址总是写回，设置 W 位指示在进行传送之前强制地址转换。这在汇编器中表示为给指令加上后缀“T”。

当PC作为LDR的目的寄存器<Rd>时，从存储器取得的数据将被当作目标地址值，程序将跳转到目标地址开始执行。

（2）指令的语法格式

LDR{<cond>}  <Rd>，<addr_mode>

① <cond>

为指令编码中的条件域。它指示LDR指令在什么条件下执行。当<cond>忽略时，指令为无条件执行（cond=AL（Alway））。

② <Rd>

确定使用哪个通用寄存器作为目标寄存器。

③ <addr_mode>

它确定了指令编码中的I、P、U、W、Rn和<addr_mode>位。所有的寻址模式中，都会确定一个基址寄存器Rn。

（3）指令操作的伪代码

指令操作的伪代码如下面程序段所示。

If  ConditionPassed{cond}  then

    If  address[1:0] == 0b00  then

         Value = Memory[address,4]

Else  if  address[1:0] == 0b01  then

     Value = Memory[address,4]  Rotate_Right 8

Else  if  address[1:0] == 0b10  then

     Value = Memory[address,4]  Rotate_Right 16

Eles  /* address[1:0] == 0b11*/

     Value = Memory[address,4]  Rotate_Right 24

If  (Rd is R15)  then

     If (architecture version 5 or above)  then

             PC = value AND 0xfffffffe

             T Bit = value[0]

     Else

             PC = value AND 0xfffffffc

Else

     Rd = value

（4）指令举例

LDR  r1，[r0，#0x12]         ;将r0+12地址处的数据读出，保存到r1中（r0的值不变）

LDR  r1，[r0]               ;将r0地址处的数据读出，保存到r1中（零偏移）

LDR  r1，[r0，r2]           ;将r0+r2地址的数据读出，保存到r1中（r0的值不变）

LDR  r1，[r0，r2，LSL #2]     ;将r0+r2×4地址处的数据读出，保存到r1中（r0，r2的值不变）

LDR  Rd，label              ;label为程序标号，label必须是当前指令的±4KB范围内

LDR  Rd，[Rn]，＃0x04        ;Rn的值用作传输数据的存储地址。在数据传送后，将偏移量0x04与

                          Rn相加，结果写回到Rn中。Rn不允许是r15

注意

地址对齐问题：大多数情况下，必须保证用于32位传送的地址是32位对齐的。

 

2．STR指令

（1）指令编码格式

STR指令用于将一个32位的字数据写入到指令中指定的内存单元。

指令的编码格式如图5.4所示。

图5.4  STR指令编码格式

（2）指令的语法格式

STR{<cond>}  <Rd>，<addr_mode>

① <cond>

为指令编码中的条件域。它指示STR指令在什么条件下执行。当<cond>忽略时，指令为无条件执行（cond=AL（Alway））。

② <Rd>

确定使用哪个通用寄存器作为目标寄存器。

③ <addr_mode>

它确定了指令编码中的I、P、U、W、Rn和<addr_mode>位。所有的寻址模式中，都会确定一个基址寄存器Rn。

（3）指令操作的伪代码

指令操作的伪代码如下面程序段所示。

If  ConditionPassed{cond}  then

     Memory[address，4]=Rd

（4）指令举例

LDR/STR指令用于对内存变量的访问、内存缓冲区数据的访问、查表、外围部件的控制操作等等，若使用LDR指令加载数据到PC寄存器，则实现程序跳转功能，这样也就实现了程序散转。

① 变量访问

NumCount  EQU  0x40003000         ;定义变量NumCount

LDR  R0，=NumCount               ;使用LDR伪指令装载NumCount的地址到R0

LDR  R1，[R0]                   ;取出变量值

ADD  R1，R1，＃1                 ;NumCount=NumCount+1

STR   R1，[R0]                  ;保存变量

② GPIO设置

GPIO—BASE  EQU   0xe0028000       ;定义GPIO寄存器的基地址

……

LDR    R0,=GPIO—BASE

LDR    R1,=0x00ffff00            ;将设置值放入寄存器

STR    R1,[R0,#0x0C]             ;IODIR=0x00ffff00，IOSET的地址为0xE0028004

③ 程序散转

…

MOV  r2,r2,LSL #2                ;功能号乘以4，以便查表

LDR  PC,[PC,r2]                 ;查表取得对应功能子程序地址，并跳转

NOP

FUN—TAB  DCD   FUN—SUB0

          DCD   FUN—SUB1

          DCD   FUN—SUB2

            …

 

5.3.2  字节数据传送指令（LDRB/STRB）

1．LDRB指令

（1）指令编码格式

LDRB指令根据<addr_mode>所确定的地址模式将一个8位字节读取到指令中的目标寄存器<Rd>。

指令的编码格式如图5.5所示。

图5.5  LDRB指令编码格式

 

注意

LDRB指令加载一个内存地址的8位字节到一个通用寄存器中。寄存器的高位数据补0。

 

（2）指令的语法格式

LDR{<cond>}B  <Rd>，<addr_mode>

① <cond>

为指令编码中的条件域。它指示LDRB指令在什么条件下执行。当<cond>忽略时，指令为无条件执行（cond=AL（Alway））。

② <Rd>

确定使用哪个通用寄存器作为目标寄存器。

③ <addr_mode>

它确定了指令编码中的I、P、U、W、Rn和<addr_mode>位。所有的寻址模式中，都会确定一个基址寄存器Rn。

（3）指令操作的伪代码

if  ConditionPassed{cond}  then

    Rd = Memory[address,1]

注意

当PC作为位基地址出现在指令中时，指令中将会使用PC相关地址，使用这种方法可以编写自己的位置无关（position-independ）指令。

 

2．STRB指令

（1）指令编码格式

STRB指令从寄存器中取出指定的8位字节放入寄存器的低8位，并将寄存器的高位补0。

指令的编码格式如图5.6所示。

图5.6  STRB指令编码格式

（2）指令的语法格式

STR{<cond>}B  <Rd>，<addr_mode>

① <cond>

为指令编码中的条件域。它指示STRB指令在什么条件下执行。当<cond>忽略时，指令为无条件执行（cond=AL（Alway））。

② <Rd>

确定使用哪个通用寄存器作为目标寄存器。

注意

当PC作为目标寄存器<Rd>出现在指令中时，指令的执行结果不可预知。

③ <addr_mode>

它确定了指令编码中的I、P、U、W、Rn和<addr_mode>位。所有的寻址模式中，都会确定一个基址寄存器Rn。

 

（3）指令操作的伪代码

if  ConditionPassed{cond}  then

   Memory[address,1] = Rd[7:0]

5.3.3  半字数据传送指令（LDRH/STRH）

1．LDRH指令

（1）指令编码格式

LDRH指令用于从内存中将一个16位的半字读取到目标寄存器。

如果指令的内存地址不是半字节对齐的，指令的执行结果不可预知。

指令的编码格式如图5.7所示。

图5.7  LDRH指令的编码格式

（2）指令的语法格式

LDR{<cond>}H  <Rd>，<addr_mode>

① <cond>

为指令编码中的条件域。它指示LDRH指令在什么条件下执行。当<cond>忽略时，指令为无条件执行（cond=AL（Alway））。

② <Rd>

确定使用哪个通用寄存器作为目标寄存器。

注意

如果PC作为目标寄存器，指令的执行结果不可预知。

③ <addr_mode>

它确定了指令编码中的I、P、U、W、Rn和<addr_mode>位。所有的寻址模式中，都会确定一个基址寄存器Rn。

（3）指令操作的伪代码

if  ConditionPassed{cond}  then

    if address[0]==0

         data=Memory[address,2]

    else  /*address[0]==1*/

         data=unpredictable

    Rd=data

注意

在包含系统控制协处理器的芯片应用中，如果定义了地址对齐检测，当bit[0]!=0时，将发生地址对齐异常。

 

2．STRH指令

（1）指令编码格式

STRH指令从寄存器中取出指定的16位半字放入寄存器的低16位，并将寄存器的高位补0。

指令的编码格式如图5.8所示。

图5.8  STRH指令的编码格式

（2）指令的语法格式

STR{<cond>}H  <Rd>，<addr_mode>

① <cond>

指令编码中的条件域。它指示STRH指令在什么条件下执行。当<cond>忽略时，指令为无条件执行（cond=AL（Alway））。

② <Rd>

确定使用哪个通用寄存器作为目标寄存器。

注意

如果PC作为目标寄存器，指令的执行结果不可预知。

③ <addr_mode>

它确定了指令编码中的I、P、U、W、Rn和<addr_mode>位。所有的寻址模式中，都会确定一个基址寄存器Rn。

（3）指令操作的伪代码

if  ConditionPassed{cond}  then

    if address[0]==0

         data=Rd[15:0]

    else  /*address[0]==1*/

         data=unpredictable

    Memory[address,2]=data

 

5.3.4  用户模式字数据传送指令（LDRT/STRT）

1．LDRT指令

（1）指令编码格式

LDRT指令用于从内存中将一个32位的字读取到目标寄存器。

指令的编码格式如图5.9所示。

LDRT指令根据<addr_mode>所确定的地址模式将一个32位字读取到指令中的目标寄存器<Rd>。如果指令中的寻址方式确定的地址不是字对齐的，则读出的数值要进行循环右移。所移位数为寻址方式确定的地址bits[1∶0]的8倍。也就是说处理器将取到的数值作为字的最低位处理。

图5.9  LDRT指令编码格式

当处理器在特权模式下使用此指令时，内存系统将该操作当作一般用户模式下得内存访问指令。

注意

指令的编码格式中，P位指定位“0”，也就是说LDRT指令的寻址方式为固定寻址方式，即后索引编码寻址（post_indexed_addressing_mode）。

（2）指令的语法格式

LDR{<cond>}T  <Rd>，<post_indexed_addressing_mode>

① <cond>

为指令编码中的条件域。它指示LDRT指令在什么条件下执行。当<cond>忽略时，指令为无条件执行（cond=AL（Alway））。

② <Rd>

确定使用哪个通用寄存器作为目标寄存器。

③ <post_indexex_address_mode>

使用后索引地址模式寻址。

注意

后索引地址模式中P=0并且W=0（即bit[21]=0、bit[24]=0）。但此指令P=0并且W=1（即bit[21]=1、bit[24]=0）。但实际的寻址操作是一样的。

（3）指令操作的伪代码

指令操作的伪代码如下面程序段所示。

If  ConditionPassed{cond}  then

    If  address[1:0]==0b00

          Rd=Memory[address,4]

    Else  if  address[1:0]==0b01

          Rd=Memory[address,4]  Rotate_Right  8

    Else  if  address[1:0]==0b10

          Rd=Memory[address,4]  Rotate_Right  16

    Else  address[1:0]==0b11

          Rd=Memory[address,4]  Rotate_Right  24

2．STRT指令

（1）指令编码格式

STRT指令用于将一个32位的字数据写入到指令中指定的内存单元。

当处理器在特权模式下执行此指令时，内存系统将该操作当作一般用户模式下的内存访问操作。

指令的编码格式如图5.10所示。

图5.10  STR指令编码格式

（2）指令的语法格式

STR{<cond>}T  <Rd>，<post_indexed_addressing_mode>

① <cond>

为指令编码中的条件域。它指示STRT指令在什么条件下执行。当<cond>忽略时，指令为无条件执行（cond=AL（Alway））。

② <Rd>

确定使用哪个通用寄存器作为目标寄存器。

③ <post_indexed_address_mode>

使用后索引地址模式寻址，参见LDRT指令。

（3）指令操作的伪代码

指令操作的伪代码如下面程序段所示。

If  ConditionPassed{cond}  then

    Memory[address,4]=Rd

 

5.3.5  用户模式字节数据传送指令（LDRBT/STRBT）

1．LDRBT指令

（1）指令编码格式

LDRBT指令根据<post_indexed_addressing_mode>地址模式将一个8位字节读取到指令中的目标寄存器<Rd>。

当处理器在特权模式下执行此指令时，内存系统将该操作当作一般用户模式下的内存访问操作。

指令的编码格式如图5.11所示。

图5.11  LDRBT指令编码格式

注意

LDRBT指令加载一个内存地址的8位字节到一个通用寄存器中。寄存器的高位数据补0。

（2）指令的语法格式

LDR{<cond>}BT  <Rd>，<post_indexed_addressing_mode>

① <cond>

为指令编码中的条件域。它指示LDRBT指令在什么条件下执行。当<cond>忽略时，指令为无条件执行（cond=AL（Alway））

。

② <Rd>

确定使用哪个通用寄存器作为目标寄存器。

③ <post_indexed_addressing_mode>

使用后索引地址模式寻址，参见LDRT指令。

（3）指令操作的伪代码

指令操作的伪代码如下面程序段所示。

If  ConditionPassed{cond}  then

    Rd=Memory[address,1]

2．STRBT指令

（1）指令编码格式

STRBT指令用于将一个8位的字节数据写入到指令中指定的内存单元。

当处理器在特权模式下执行此指令时，内存系统将该操作当作一般用户模式下的内存访问操作。

指令的编码格式如图5.12所示。

图5.12  STRBT指令编码格式

（2）指令的语法格式

STR{<cond>}BT  <Rd>，<addr_mode>

① <cond>

为指令编码中的条件域。它指示LDRBT指令在什么条件下执行。当<cond>忽略时，指令为无条件执行（cond=AL（Alway））。

② <Rd>

确定使用哪个通用寄存器作为目标寄存器。

③ <post_indexed_addressing_mode>

使用后索引地址模式寻址，参见LDRT指令。

（3）指令操作的伪代码

指令操作的伪代码如下面程序段所示。

If  ConditionPassed{cond}  then

     Memory[address，1]=Rd[7:0]

 

5.3.6  有符号的字节/半字数据传送指令（LDRBT/STRBT）

1．LDRSB指令

（1）指令编码格式

LDRSB指令根据<addr_mode>所确定的地址模式将一个8位字节读取到指令中的目标寄存器<Rd>。

注意

LDRSB与LDRB指令的不同之处在于它将寄存器的高24位设置成该字节数据的符号位的值（即将该8位字节数据进行符号位扩展，生成32位字数据）。

指令的编码格式如图5.13所示。

图5.13  LDRSB指令编码格式

（2）指令的语法格式

LDR{<cond>}SB  <Rd>，<addr_mode>

① <cond>

为指令编码中的条件域。它指示LDRSB指令在什么条件下执行。当<cond>忽略时，指令为无条件执行（cond=AL（Alway））。

② <Rd>

确定使用哪个通用寄存器作为目标寄存器。

③ <addr_mode>

它确定了指令编码中的I、P、U、W、Rn和<addr_mode>位。所有的寻址模式中，都会确定一个基址寄存器Rn。

（3）指令操作的伪代码

If  ConditionPassed{cond}  then

    data=Memory[address,1]

Rd=SignExtend{data}

2．LDRSH指令

（1）指令编码格式

LDRSH指令根据<addr_mode>所确定的地址模式将一个16位半字读取到指令中的目标寄存器<Rd>。

注意

LDRSH与LDRH指令的不同之处在于它将寄存器的高16位设置成该字节数据的符号位的值（即将该16位字节数据进行符号位扩展，生成32位字数据）。

指令的编码格式如图5.14所示。

图5.14  LDRSH指令编码格式

（2）指令的语法格式

LDR{<cond>}SH  <Rd>，<addr_mode>

① <cond>

为指令编码中的条件域。它指示LDRSH指令在什么条件下执行。当<cond>忽略时，指令为无条件执行（cond=AL（Alway））。

② <Rd>

确定使用哪个通用寄存器作为目标寄存器。

③ <addr_mode>

它确定了指令编码中的I、P、U、W、Rn和<addr_mode>位。所有的寻址模式中，都会确定一个基址寄存器Rn。

（3）指令操作的伪代码

If  ConditionPassed{cond}  then

    if  address[0]==0

        data=Memory[address,2]

   else  /*address[0] ==1*/

        data=UNPREDICTABLE

   Rd=SignExtend{data}