STM32学习之路入门篇之指令集及cortex——m3的存储系统

STM32学习之路入门篇之指令集及cortex——m3的存储系统

一、汇编语言基础

一）、汇编语言：基本语法

1、汇编指令最典型的书写模式：

标号

操作码        操作数1， 操作数2，... ；注释

1）、标号是可选的，如果有，它必须顶格写。标号的作用是让汇编器来计算程序转移的地址。

2）、操作码是指令的助记符，它的前面必须有至少一个空白符，通常使用提个Tab键来产生。

3）、操作码后面往往跟若干个操作数，而第一个操作数，通常都给出本指令执行结果的存储地。不同指令需要不同数目的操作数，并且对操作数的语法要求也可以不同。

4）、注释均以;开头，它的有无不影响汇编操作，只是给程序员看的，让程序员更加可以理解代码。

2、可以使用EQU指示子来定义常数，也可以使用DCB来定义一串字节常数——允许以字符串的形式表达，还可以使用DCD来定义一串32位整数。

3、如果汇编器不能识别某些特殊指令的助记符，就需要“手工汇编”，查出该指令的确切二进制机器码，然后使用DCI编译器指示器。

4、不同汇编器的指示字和语法都可以不同。以上以ARM汇编器说明，如使用其他汇编器，细看说明和实例代码。

二）、汇编语言：后缀的使用

1、在ARM处理器中，指令可以带有后缀的：

2、在Cortex-CM3中，对条件后缀的使用有限制，只有转移指令（B指令）才可以随意使用。而对于其他指令，Cortex-CM3引入IF-THEN模块，在这个块中才可以加后缀，且

必须加后缀。

三）、汇编语言：统一的汇编语言

1、为了有力支持Thumb-2，引入了一个“统一汇编语言（UAL）”语法机制。对于16位指令和32位指令均能实现一些操作，有时虽然指令的实际操作数不同，或者对立即数的

长度有不同的限制，但是汇编器允许开发者以相同的语法格式编写，并且由汇编器来决定使用16位指令还是32位指令。

2、如果使用了传统的Thumb语法有些指令会默认更新APSR，即使你没有加上S后缀。如果使用UAL语法，则必须使用S后缀才能更新。

3、在Thumb-2指令集中，有些操作既可以由16位指令完成，也可以由32位指令完成。在UAL下，可以让编译器决定用哪个，也可以手工指令使用16位还是32位。

1）、.W后缀指定32位指令。如果没有给出后缀，会bain其会先试着用16位指令以缩小代码体积如果不行在使用32位指令。

2）、.N后缀指定16位指令。

4、32位Thumb-2指令可以按半字节对齐。

四、指令集

1、APSR中的5个标识位：

1）、N：复数表示（Negative）。

2）、Z：零结果标识（Zero）。

3）、C：进位/借位标识（Carry）。

4）、V：溢出标识（oVerflow）。

5）、S：饱和标识（Saturation），它不做条件转移的依据。

2、Cortex-CM3支持的指令集如下：

注意：边框双粗的是从ARMv6T2才支持的指令。

双线边框的是从Cortex-CM3才支持的指令，（v7的其他款式不一定支持）。

1）、16位数据操作指令

2）、16位转移指令

3）、16位存储器数据传送指令

4）、其他16位指令

5）、32位数据操作指令

6）、32位存储器数据传送指令

7）、32位转移指令

8）、其他32位指令

3、未支持的指令

1）、不再是传统的架构，呆滞某些指令已失去意义

2）、不支持的协处理器相关指令

3）、不支持的CPS指令用法

4）、不支持的hint指令

五、近距离的检视指令

一）、汇编语言：数据传送

1、Cortex-CM3中的数据传输类型

1）、两个寄存器间的传输数据。

2）、寄存器与存储器间传输数据。

3）、寄存器与特殊功能寄存器间传输数据。

4）、把一个立即数加载到寄存器。

2、用在数据传输的指令时MOV，它的另一个衍生物是MVN——把寄存器的内容取反后再传送。

3、用于访问存储器的基础指令是“加载（load）”和“存储（store）”。

1）、加载指令LDR把存储器中的内容加载到寄存器中，存储指令STR把寄存器的内容存储到存储器中。传送过程中数据类型也可以变通，最常见的格式有：

2）、如果想一次性的解决存储器访问问题，可以使用LDM/STM来进行，它相当于把若干个LDR/STR给合并起来。

I、表中加粗的符合Cortex-CM3堆栈操作的LDM/STM的使用方式。并且如果Rd是R13，则与PUSH和POP等效。

II、感叹号表示自增或自减基址存储器Rd的值，时机是在每次访问前或访问后。感叹号还可以用于单一加载或存储指令，——LDR/STR。这也就是所谓的“带预索引”的LDR和

STR。

III、Cortex-CM3还支持后索引。后索引也要使用一个立即数offset，但与预索引不同的是，后索引是忠实使用基址寄存器Rd的值作为数据传送的地址的。待到数据传输之后，

在执行Rd<-Rd+offset。

4、LDR伪指令 VS ADR伪指令

1）、LDR和ADR都有能力产生一个地址，但是语法和行为不同。

2）、对于LDR，如果汇编器发生要产生立即数是一个程序地址，它会自动把LSB置位，

3）、对于ADR相反，它不会修改LSB。

二）、汇编语言：数据处理

1、虽然助记符都是ADD，但是二进制机器码是不同的。当使用16位加法时会自动更新APSR的标识位。然而，在使用了“.W”显式指定了32位指令后，就可以通过“S”后缀控制

对APSR的更新。

2、常见的算术四则运算指令

3、Cortex-CM3还片载了硬件乘法器，支持乘加/乘减运算，并能产生64位的值。

4、逻辑运算

5、移位（支持多种组合）运算和循环运算

6、带符号扩展指令

7、数据序转指令

8、位段处理及把玩指令

三）、汇编语言：子程序呼叫与无条件转移指令

1、最基本的无条件转移指令有两条：

B    Label    ；转移到Label处对应的地址

BL    reg    ；转移到有寄存器reg给出的地址

2、呼叫子程序时，需要保存返回地址，正点的指令是：

BL    Label    ；转移到Label处对应的地址，并且把转移前的下条指令地址保存到LR

BLX    reg    ；转移到由寄存器reg给出的地址，根据REG的LSB切换处理器的状态，并且把转移前的下条指令地址保存到LR

注意：、使用BLX要注意，其改变状态的功能。因此确保reg的lsb必须为1，以确保不会进入ARM状态。

3、以PC为目的寄存器的MOV和LDR指令也可以实现转移，常见的形式有：

MOV    PC,    R0    ;         转移地址由R0给出

LDR     PC,    [R0]    ;      转移地址存储在R0所指向的存储器中

POP    {...,  PC]    ;     把返回地址以弹出堆栈的方式送给PC，从而实现转移

LDMIA    SP!,     {...,  PC    ;   POP另一种等效写法

注意：使用这些方式必须保证送给PC的值是奇数（LSB=1）。

四）、标志位与条件指令

1、在应用程序状态寄存器中有5个标志位，但只有4个被条件转移指令参考。绝大多数ARM的条件转移指令根据他们来决定是否转移。

2、在ARM中数据操作指令可以更新这4个标志位。这些标志位除了可以当条件转移的判断之外，还能再一些场合下作为指令是否执行的依据。或者在移位操作中充当各种中介

角色。

3、担任条件转移和条件执行的依据时，这4个标志位既可以单独使用，也可以组合使用，以产生15种判断依据：

4、在Cortex-CM3中，下列指令可以更新PSR的标志：

1）、16位算术逻辑指令。

2）、32位带S后缀的算术逻辑指令。

3）、比较指令和测试指令。

4）、直接写PSR/APSR（MAR指令）。

五）、汇编语言：指令隔离指令和存储器隔离指令

六）、汇编指令：饱和运算

1、Cortex-CM3的饱和运算指令分为两种：带符号的饱和运算以及无符号饱和运算。

2、饱和运算指令

六、Cortex-CM3中一些有用的新指令

1、MSR和MRS

1）、这两条指令是访问特殊功能寄存器的指令，必须在特权下访问，出APSR外。

2）、指令语法如下：

MRS    <Rn>,     <SReg>  ;   加载特殊功能寄存器的值到Rn

MSR    <SReg>,     <Rn>  ;   存储Rn的值到特殊功能寄存器的值

3）、SReg可以是下表中的一个

2、IF-THEN

1）、IF-THEN指令围成一个块，里面最多4条指令，它里面的指令可以条件执行。

2）、IT使用形式：

3、CBZ和CBNZ

1）、比较并条件跳转指令专为循环结构的优化而设，它只能做向前跳转。

2）、格式为

4、SDIV和UDIV

1）、32位硬件除法指令。

2）、格式

3）、运算结果是Rd = Rn / Rm。

5、REV,REVH,REV16以及REVSH

1）、REV反转32位整数中的字节序，REVH则以半字节为单位反转，且只反转低半字节。

2）、REVSH在REVH的基础上，还把反转后的半子做带符号的扩展。

3）、语法

6、RBIT

1）、RBIT比以前的REV之流更为精细，它是按位反转的，相当于把32位整数的二进制表示法水平旋转180°。此指令在处理串行比特流大有用处。

2）、格式

RBIT.W    Rd，    Rn

7、SXTB,SXTH,UXTB,UXTH

1）、这四条指令是为了优化C的强制数据类型转换而设的，把数据宽度转换为处理器喜欢的32位长度。

2）、语法

3）、对于SXTB/SXTH，数据带符号位扩展成32位整数。对于UXTB/UXTH，高位清0。

8、BFC/BFI,UBFX/SBFX

1）、这四个指令是Cortex-CM3提供的位段操作指令。

2）、BFC（位段清零）指令把32位整数任意一段连续的二进制位S清0，语法格式为：

BFC    Rd，    #lsb，    #width

3）、BFI（位段插入指令），则把某寄存器按LSB对齐的数据，拷贝到另一个寄存器的某个位段中，其格式为：

BFI.w    Rd，    Rn，    #lsb，    #width

4）、UBFX/SBFX都是位段提取指令，语法格式为：

UBFx.w    Rd，    Rn，    #lsb，    #width

SBFX.w    Rd，    Rn，    #lsb，    #width

9、LDRD/STRD

1）、Cortex-CM3在一定程度上支持对64位整数，其中LDRD/STRD就是为64位整数的数据传输而设置的。

2）、格式：

10、TBB,TBH

1）、TBB（查表跳转字节范围的偏移量）指令和TBH（查表跳转半字节范围的偏移量）指令，分别用于从一个字节数组表中查找偏移地址，和从半字节数组表中查找偏移地

址。TBB的跳转范围为255*2+4=514，TBH的跳转范围为65535*2+4=128kb+2。

2）、TBB语法格式

TBB.W    [Rn，   Rm]    ；PC+=Rn[Rm]*2

3）、TBH语法格式

TBH.W    [Rn，   2*Rm]    ；PC+=Rn[2*Rm]*2

一、存储器系统的功能概览

1、Cortex-CM3存储器系统功能

1）、存储器映射是预定义的，并且还规定好了那个位置使用那条总线。

2）、Cortex-CM3的存储器系统支持“位带”操作。

3）、Cortex-CM3存储器系统支持非对齐访问和互斥访问。

4）、Cortex-CM3的存储器系统支持both大端配置和小端配置。

二、存储器映射

1、Cortex-CM3只有一个单一固定的存储器映射。这极大方便了软件在各种Cortex-CM3单片机间的移植。

2、存储器的一些位置用于调试组件等私有外设，这个地址被称为“私有外设区”。私有外设区的组件包括：

1）、闪存地址重载及断点单元（FPB）。

2）、数据观察点单元（DWT）。

3）、指令跟踪宏单元（ITM）。

4）、嵌入式跟踪宏单元（ETM）。

5）、跟踪端口接口单元（TPIU）。

6）、ROM表。

3、Cortex-CM3的地址空间是4GB，程序可以在代码区，内部SRAM区以及RAM区执行。4GB粗线条划分：

1）、内部SRAM区的大小是512MB，用于让芯片制造商连接片上的SRAM，这个区通过系统总线来访问。在此区的下部，有一个1MB的位带区，该位带区还有一个对应的

32MB的“位带别名区”，容纳了8M个“位变量”。位带区对应的是最低的1MB地址范围，而位带别名区里面的每个字对应位带区的一个比特。位带操作只适用于数据访问，

不适用与取指操作。

2）、地址空间另一个512范围由片上外设（的寄存器）使用。这个区也有一条32MB的位带别名，以便于快捷的访问外设寄存器。

3）、还有两个1GB的范围，分别用于连接外部RAM和外部设备，它们之间没有位带。两者的区别在于外部RAM区允许执行指令，而外设设备区则不允许。

4）、最后剩下0.5GB的地带是Cortex-CM3内核所在区域，包括系统级组件，内部私有外部总线S，外部私有外部总线S，以及由提供者定义的系统外设。

5）、私有外部总线有两条

I、AHB外设总线，只用于Cortex-CM3内部的AHB设备，它们是：NVIC,FPB，DWT和ITM。

II、APB外设总线，即用于Cortex-CM3内部的APB设备，也用于外部设备

6）、NVIC所处的区域叫做“系统控制空间（SCS）”在SCS里面还有SysTick、MPU以及代码调试控制所用的寄存器：

三、存储器访问属性S

1、Cortex-CM3为存储器做了映射之外，还为存储器的访问规定了4中属性：

1）、可否缓冲（Bufferable）

2）、可否缓存（Cacheable）

3）、可否执行（Executable）

4）、可否共享（Shareable）

2、如果配置了MPU，则可以通过它配置不同的存储区，并且覆盖缺省的访问属性。

四、存储器的缺省访问许可

1、Cortex-CM3有一个缺省的访问许可，它能防止使用户代码访问系统控制存储空间，保护NVIC,MPU等关键组件。缺省访问许可在以下条件时生效：

1）、没有配置MPU。

2）、配置了MPU，但是MOPU被除能。

2、存储器的缺省访问许可

四、位带操作

一）、简介

1、支持位带操作后，可以使用普通的加载/存储指令来对单一的比特进行读写。在Cortex-CM3中，有两个区实现了位带。其中一个是SRAM区的最低1MB，第二个则是片内外

设区的最低1MB范围。这两个区的地址除了可以像普通的RAM使用外，它也都有自己的“位带别名区”，位带别名区把每个比特膨胀成一个32位的字。

1）、位带区与别名区的膨胀对应关系图A

2）、位带区与别名区的膨胀对应关系图B

2、Cortex-CM3用如下术语来表示位带存储的地址区

1）、位带区：支持位带操作的地址区。

2）、位带别名：对别名地址的访问最总作用到位带区的访问上。（注意：这中途有一个地址映射过程）

3、在位带区中每个比特都都映射到别名地址区的一个字——这是只有LSB有效的字。当一个别名地址被访问时，会先把改地址变换成位带地址。

1）、对于读操作，读取位带地址中的一个字，再把需要的位右移到LSB，并把LSB返回。

2）、对于写操作，把需要写的位左移到对应的位序号处，然后执行一个原子的“读-改-写”过程。

4、支持位带操作的两个内存区的范围是：

1）、0x2000_0000-0x000F_FFFF（SRAM区中的最低1MB）和0x4000_0000-0x400F_FFFF（片上外设区中的最低1MB）。

2）、对于SRAM位带区的某个比特，记它所在字节地址为A，位序号为n，则该比特在别名区的地址是：

3）、对于片上外设位带区的某个比特，记它所在字节地址为A，位序号为n，则该比特在别名区的地址是：

5、位带地址映射

1）、SRAM区中的位带地址映射

2）、片上外设区中的位带地址映射

二）、位带操作的优越性

1、位带操作对硬件I/O密集型的底层程序提供了很大方便。

2、位带操作可用来化简跳转的判断。是代码更整洁。

3、在多任务中用于实现共享资源在任务间的“互锁”访问。

三）、其他数据长度上的位带操作

1、位带操作并不限于以字为单位的传送。亦可以按半子节和字节为单位传送。

五、在C语言中使用位带操作

1、C编译器中并没有直接支持位带操作。欲在在C中使用位带操作，最简单的做法就是#define一个位带别名区的地址。为了简化位带操作，也可以定义一些宏。

2、当使用位带功能时，要访问的变量必须用vollatile来定义。

六、非对齐数据传送

1、Cortex-CM3支持在单一的访问中使用非（地址）对齐的传送，数据存储器的访问无需对齐。

2、非对齐传送实例

3、在Cortex-CM3中，非对齐的数据传送只发生在常规的数据传送指令中，其他的指令则不支持：

1）、多个数据的加载存储（LDM/STM）。

2）、栈堆操作（PUSH/POP）。

3）、互斥访问（LDREX/STREX）。

4）、位带操作。

4、应该养成好习惯，总是保持地址对齐。为此可以变成NVIC，使之监督地址对齐。

七、互斥访问

1、在Cortex-CM3中，用互斥体访问取代了ARM处理器中的SWP指令。

2、互斥访问的理念同SWP非常相似，不同点在于：在互斥访问操作下，允许互斥体所在的总线被其他master访问，也允许被其他运行在本机上的任务访问，但是Cortex-CM3

能驳回有可能导致竟态条件的互斥访问。

3、互斥访问分为加载/存储，相应的指令为LDREX/STREX，LDREXH/STREXH，LDREXB/STREXB，分别对应于字/半字/字节

4、使用方式（以LDREX/STREX为例）

1）、语法格式

2）、LDREX指令与LDR相同。而STREX不同，STREX指令的执行是可以被驳回的。

I、当处理器同意执行STREX，Rxf的值会被存储到（Rn+Offset）处，并且把Rd的值更新。

II、若处理器驳回了STREX的执行，则不会发生存储动作，并且把Rd的值更新为1。

3）、驳回规则：只有在LDREX执行后最近的一条STREX才能成功执行。其他情况下，驳回此STREX

I、中途有其他STR指令执行。

II、中途有其他的STREX执行。

4）、当时用互斥访问时，LDREX/STREX指令必须成对使用。

八、端模式

1、Cortex-CM3支持both小端模式和大端模式。在绝大多数情况下，Cortex-CM3都是用小端模式——为了避免不必要的麻烦，推荐使用小端模式。

2、Cortex-CM3中对大端模式的定义与ARM7的不同（小端定义都相同）。在ARM7中大端模式称为“字不变大端”，而在Cortex-CM3中，使用的是“字节不变大端”。

1）、Cortex-CM3的字节不变大端：存储器视图

2）、Cortex-CM3的字节不变大端：在ABH上的数据

3）、ARM7字节不变大端：在ABH上的数据

3、在Cortex-CM3,是在复位时确定使用那种端模式的，且运行时不得改变。指令预取永远使用小端模式，在配置控制存储空间的访问也永远小端模式（包括NVIX，FPB之

流）。另外外部私有总线地址区0xE0000000至0xE00FFFFF也永远使用小端模式。