На сайте developer.arm.com имеется документ Cortex-M4 Technical Reference Manual r0p0 с номером DDI 0439 (копия PDF-файла прикреплена к этой записи). Страница с командами Ассемблера расположена по адресу:

https://developer.arm.com/documentation/ddi0439/b/CHDDIGAC

Нумерация r0p0 означает, что релизный номер документа (release) является 0, и номер изменений (path) тоже 0. То есть, это первая версия такста документа, без изменений и дополнений.

В самом документе нижеуказанные сведения находятся в разделе 3.3 на страницах 3-4 - 3-8.

Здесь приведен частичный перевод страницы с командами Ассемблера.

Важно: в данном документе нет полных описаний того, что выполняет та или иная инструкция. Полное описание инструкций доступно в документе ARM Architecture Reference Manual Thumb-2 Supplement под номером DDI 0308D.

* * *

Справочное руководство Cortex-M4 r0p0

Список инструкций микропроцессора Cortex-M4

В данном процессоре реализован набор инструкций по стандарту ARMv7-M Thumb. Таблица 3.1 содержит инструкции Cortex-M4 и количество циклов, затрачиваемых на их выполнение. Количество циклов основано на системе с нулевыми состояниями ожидания.

В синтаксисе ассемблера, в зависимости от операции, поле <op2> может быть заменено на один из следующих вариантов:

• простой спецификатор регистра, например Rm
• непосредственно сдвиговый регистр, например Rm, LSL #4
• регистр сдвигового регистра, например Rm, LSL Rs
• непосредственно значение, например xE000E000

Примечание: здесь, для краткости, приведены не все режимы адресации при загрузке и сохранении. Дополнительную информацию смотрите в справочном руководстве по архитектуре ARMv7-M (ARMv7-M Architecture Reference Manual).

В таблице 3.1 в столбце "Циклы" используются следующие значения:

P - количество циклов, необходимых для полной загрузки конвейера. Эначение лежит в диапазоне от 1 до 3 в зависимости от ширины целевой инструкции, от того как она выровнена, а также от того, удастся ли процессору заранее вычислить адрес.

B - Количество циклов, необходимых для выполнения барьерной операции. Для DSB и DMB минимальное количество циклов равно нулю. Для ISB минимальное количество циклов эквивалентно количеству, необходимого для полной загрузки конвейера.

N - Количество регистров в списке регистров, подлежащих загрузке или сохранению (включая PC или LR)

W - Количество циклов, затраченных на ожидание соответствующего события.

Примечание переводчика. в примерах кода на Ассемблере используются негласные обозначения регистров и прочих сущностей. Например:

• Rd - регистр назначения (destination)
• Rm - регистр, откуда происходит перемещение (move), но не всегда
• Rn - регистр, содержащий какое-то число (number), обычно источник данных
• Суффикс W - работа со словом (Word, 16 бит)

Таблица 3.1. Краткое описание набора инструкций Cortex-M4

Operation	Description	Assembler	Cycles
Move (загрузка значения в регистр)	Register	MOV Rd, <op2>	1
	16-bit immediate	MOVW Rd, #<imm>	1
	Immediate into top	MOVT Rd, #<imm>	1
	To PC	MOV PC, Rm	1 + P
Add (сложение)	Add	ADD Rd, Rn, <op2>	1
	Add to PC	ADD PC, PC, Rm	1 + P
	Add with carry	ADC Rd, Rn, <op2>	1
	Form address	ADR Rd, <label>	1
Subtract (вычитание)	Subtract	SUB Rd, Rn, <op2>	1
	Subtract with borrow	SBC Rd, Rn, <op2>	1
	Reverse	RSB Rd, Rn, <op2>	1
Multiply (умножение)	Multiply	MUL Rd, Rn, Rm	1
	Multiply accumulate	MLA Rd, Rn, Rm	2
	Multiply subtract	MLS Rd, Rn, Rm	2
	Long signed	SMULL RdLo, RdHi, Rn, Rm	1
	Long unsigned	UMULL RdLo, RdHi, Rn, Rm	1
	Long signed accumulate	SMLAL RdLo, RdHi, Rn, Rm	1
	Long unsigned accumulate	UMLAL RdLo, RdHi, Rn, Rm	1
Divide (деление)	Signed	SDIV Rd, Rn, Rm	2 to 12[a]
	Unsigned	UDIV Rd, Rn, Rm	2 to 12[a]
Saturate (ограничение значения до заданного)	Signed	SSAT Rd, #<imm>, <op2>	1
	Unsigned	USAT Rd, #<imm>, <op2>	1
Compare (сравнение)	Compare	CMP Rn, <op2>	1
	Negative	CMN Rn, <op2>	1
Logical (операции бинарной логики)	AND	AND Rd, Rn, <op2>	1
	Exclusive OR	EOR Rd, Rn, <op2>	1
	OR	ORR Rd, Rn, <op2>	1
	OR NOT	ORN Rd, Rn, <op2>	1
	Bit clear	BIC Rd, Rn, <op2>	1
	Move NOT	MVN Rd, <op2>	1
	AND test	TST Rn, <op2>	1
	Exclusive OR test	TEQ Rn, <op1>
Shift (сдвиг)	Logical shift left	LSL Rd, Rn, #<imm>	1
	Logical shift left	LSL Rd, Rn, Rs	1
	Logical shift right	LSR Rd, Rn, #<imm>	1
	Logical shift right	LSR Rd, Rn, Rs	1
	Arithmetic shift right	ASR Rd, Rn, #<imm>	1
	Arithmetic shift right	ASR Rd, Rn, Rs	1
Rotate (кольцевой сдвиг)	Rotate right	ROR Rd, Rn, #<imm>	1
	Rotate right	ROR Rd, Rn, Rs	1
	With extension	RRX Rd, Rn	1
Count (подсчет количества)	Leading zeroes	CLZ Rd, Rn	1
Load (загрузка из памяти)	Word	LDR Rd, [Rn, <op2>]	2[b]
	To PC	LDR PC, [Rn, <op2>]	2[b] + P
	Halfword	LDRH Rd, [Rn, <op2>]	2[b]
	Byte	LDRB Rd, [Rn, <op2>]	2[b]
	Signed halfword	LDRSH Rd, [Rn, <op2>]	2[b]
	Signed byte	LDRSB Rd, [Rn, <op2>]	2[b]
	User word	LDRT Rd, [Rn, #<imm>]	2[b]
	User halfword	LDRHT Rd, [Rn, #<imm>]	2[b]
	User byte	LDRBT Rd, [Rn, #<imm>]	2[b]
	User signed halfword	LDRSHT Rd, [Rn, #<imm>]	2[b]
	User signed byte	LDRSBT Rd, [Rn, #<imm>]	2[b]
	PC relative	LDR Rd,[PC, #<imm>]	2[b]
	Doubleword	LDRD Rd, Rd, [Rn, #<imm>]	1 + N
	Multiple	LDM Rn, {<reglist>}	1 + N
	Multiple including PC	LDM Rn, {<reglist>, PC}	1 + N + P
Store (запись в память)	Word	STR Rd, [Rn, <op2>]	2[b]
	Halfword	STRH Rd, [Rn, <op2>]	2[b]
	Byte	STRB Rd, [Rn, <op2>]	2[b]
	Signed halfword	STRSH Rd, [Rn, <op2>]	2[b]
	Signed byte	STRSB Rd, [Rn, <op2>]	2[b]
	User word	STRT Rd, [Rn, #<imm>]	2[b]
	User halfword	STRHT Rd, [Rn, #<imm>]	2[b]
	User byte	STRBT Rd, [Rn, #<imm>]	2[b]
	User signed halfword	STRSHT Rd, [Rn, #<imm>]	2[b]
	User signed byte	STRSBT Rd, [Rn, #<imm>]	2b
	Doubleword	STRD Rd, Rd, [Rn, #<imm>]	1 + N
	Multiple	STM Rn, {<reglist>}	1 + N
Push (укладка значения в стек)	Push	PUSH {<reglist>}	1 + N
	Push with link register	PUSH {<reglist>, LR}	1 + N
Pop (вытаскивание значения из стека)	Pop	POP {<reglist>}	1 + N
	Pop and return	POP {<reglist>, PC}	1 + N + P
Semaphore (семафор эксклюзивного доступа для многозадачных систем)	Load exclusive	LDREX Rd, [Rn, #<imm>]	2
	Load exclusive half	LDREXH Rd, [Rn]	2
	Load exclusive byte	LDREXB Rd, [Rn]	2
	Store exclusive	STREX Rd, Rt, [Rn, #<imm>]	2
	Store exclusive half	STREXH Rd, Rt, [Rn]	2
	Store exclusive byte	STREXB Rd, Rt, [Rn]	2
	Clear exclusive monitor	CLREX	1
Branch (переход на заданный адрес, в других ассемблерах обычно обозначается как jump)	Conditional	B<cc> <label>	1 or 1 + P[c]
	Unconditional	B <label>	1 + P
	With link	BL <label>	1 + P
	With exchange	BX Rm	1 + P
	With link and exchange	BLX Rm	1 + P
	Branch if zero	CBZ Rn, <label>	1 or 1 + P[c]
	Branch if non-zero	CBNZ Rn, <label>	1 or 1 + P[c]
	Byte table branch	TBB [Rn, Rm]	2 + P
	Halfword table branch	TBH [Rn, Rm, LSL#1]	2 + P
State change (команды изменения состояния процессора)	Supervisor call	SVC #<imm>	-
	If-then-else	IT... <cond>	1[d]
	Disable interrupts	CPSID <flags>	1 or 2
	Enable interrupts	CPSIE <flags>	1 or 2
	Read special register	MRS Rd, <specreg>	1 or 2
	Write special register	MSR <specreg>, Rn	1 or 2
	Breakpoint	BKPT #<imm>	-
Extend (расширение числовых значений до более широких размеров)	Signed halfword to word	SXTH Rd, <op2>	1
	Signed byte to word	SXTB Rd, <op2>	1
	Unsigned halfword	UXTH Rd, <op2>	1
	Unsigned byte	UXTB Rd, <op2>	1
Bit field (работа с битовыми полями)	Extract unsigned	UBFX Rd, Rn, #<imm>, #<imm>	1
	Extract signed	SBFX Rd, Rn, #<imm>, #<imm>	1
	Clear	BFC Rd, Rn, #<imm>, #<imm>	1
	Insert	BFI Rd, Rn, #<imm>, #<imm>	1
Reverse (получение обратного порядка байт/бит)	Bytes in word	REV Rd, Rm	1
	Bytes in both halfwords	REV16 Rd, Rm	1
	Signed bottom halfword	REVSH Rd, Rm	1
	Bits in word	RBIT Rd, Rm	1
Hint (дополнительные инструкции)	Send event	SEV	1
	Wait for event	WFE	1 + W
	Wait for interrupt	WFI	1 + W
	No operation	NOP	1
Barriers (синхронизация через барьеры)	Instruction synchronization	ISB	1 + B
	Data memory	DMB	1 + B
	Data synchronization	DSB <flags>	1 + B
[a] Операции деления используют раннее завершение, чтобы свести к минимуму количество требуемых циклов, основанных на количестве начальных единиц и нулей во входных операндах. [b] Рядом расположенные единичные инструкции чтения и записи из памяти могут использовать различные стадии конвейера для размещения адресов и данных. Это позволяет выполнять такие команды за один цикл выполнения. [c] Условная ветвь выполнения завершается за один цикл, если ветвь не используется. [d] Инструкция IT может быть объединена с предыдущей 16-разрядной Thumb-командой, что позволяет выполнять ее в нулевых циклах.

Подробное описание команд

Команда MOV

MOV Rd, <op2>

Команда MOV передает значение в регистр.

Примечание: Через MOV нельзя читать из памяти. Нельзя написать MOV R0, [R1] — вместо этого надо использовать инструкцию LDR.

Передача значения из 32-х битного регистра:

MOV R0, R1 ; Передача значения регистра R1 в R0

В качестве принимающего регистра может быть регистр общего назначения, и даже регистр PC:

MOV PC, R0

Передача непосредственного значения, закодированного в машинной инструкции:

MOV R0, #42 ; Передача непосредственного значения в R0

В режиме ARM (32-битные инструкции) можно загрузить 8-битные значения, сдвинутые на чётное число бит (0, 2, 4, ..., 30) влево. Т. е. immediate-значение кодируется в 12 битах: 8 бит - само значение, 4 бита - количество сдвигов (16 возможных значений), причем количество сдвигов умножается на 2.

Примеры допустимых:

0xFF (0xFF << 0)

0x3F00 (0x3F << 8)

0xC0000000 (0xC0 << 24)

0x3FC00000 (0xFF << 22)

Недопустимые:

0x1234 (нельзя представить как 8-битное + четное кол-во сдвигов).

В режиме Thumb (16-битные инструкции) можно передать значение размером 8 бит, команда работает только с R0–R7.

В режиме Thumb-2 (расширеннык 32-битные инструкции) можно загружать 16-битные значения.

Видно, что ни в одном режиме невозможно загрузить 32-х битное значение. Для загрузки 32-х битных значений используются две инструкции: MOVW / MOVT (см. далее).

Передача регистра со сдвигом:

MOV R0, R1, LSL #2 ; R0 = R1 << 2

Поддерживаемые сдвиги:

• LSL — логический сдвиг влево
• LSR — логический сдвиг вправо
• ASR — арифметический сдвиг вправо
• ROR — циклический сдвиг вправо

Встает вопрос: а что, а ARM-процессорах нет специальных инструкций сдвига регистров? Конечно, есть. Следующие команды будут давать один и тот же результат:

MOV R0, R1, LSL #2

LSL R0, R1, 2

Использование специализированной инструкции вместо MOV может дать в некоторых режимах более компактный машинный код.

Команды MOVW / MOVT

Команда MOVW - расшифровывается как Move Wide, т. е. перемещение значения регистра с расширением до 32-х бит, и в качестве ресширения используются нули. Эта команда загружает непосредственное 16-бит значение в младшие два байта регистра Rd, а старшие два байта обнуляются:

MOVW Rd, #<imm>

Команда MOVT (Move to Top) загружает непосредственное 16-бит значение в старшие два байта регистра Rd. Младшие 2 байта не меняются.

MOVT Rd, #<imm>

Таким образом, эти две команды позволяют за две инструкции загрузить в регистр 32-х битное значение:

MOVW R0, #0x5678 ; младшие 16 бит, регистр R0 станет равен 0x00005678

MOVT R0, #0x1234 ; старшие 16 бит, регистр R0 станет равен 0x12345678

Команда ADD

Простое сложение:

Простое сложение - это сложение без установкии и без учета флага переноса.

ADD Rd, Rn, <op2>

Например:

ADD R0, R1, R2 ; это R0 = R1 + R2

ADD R0, R1, #5 ; это R0 = R1 + 5

Ограничения на непосредственный операнд такие же как и в команде MOV.

С помощью ADD можно увеличивать регистр PC на значение из другого регистра:

ADD PC, PC, Rm

Сложение со сдвигом:

ADD R0, R1, R2, LSL #2 ; это R0 = R1+ (R2 << 2)

Варианты сдвига (LSL, LSR, ASR, ROR) - такие же как у MOV.

Зачем нужна команда сложения со сдвигом? Например для быстрого вычисления адреса пикселя на стандартных экранах через два-три сдвига и пару сложений. Если в процессоре существуют операции "сложение со сдвигом", то можно уместиться в две-три машинные команды, причем не используя умножение. А команды сдвига и сложения в ARM исполняются за один такт. Таким образом за 2 такта можно высчитать адрес, даже если в процессоре нет блока умножения.

К примеру, R1 - это X, R2 - это Y. Если один пиксель занимает 1 байт (да, это 256 цветов на пиксель с использованием палитры), то чтобы получить адрес пикселя, надо Y умножить на ширину экрана (получится адрес начала линии с номером Y), и прибавить X.

Стандартные ширины экранов устроены таким образом, что умножать на ширину можно просто одним-тремя сдвигами. Что имеется в виду? Вот какие ширины бывают:

320 pix (это 256 + 64)

640 pix (это 512 + 128)

800 pix (это 512 + 256 + 32)

1024 pix (это 1024)

1280 pix (это 1024 + 256)

и т.д.

Если ширина 1280, то чтобы получить адрес начала линии с номером Y, надо сделать два сдвига Y и одно сложение:

Адрес начала линии = Y * 1280

= Y * (1024 + 256)

= Y * 1024 + Y * 256

= Y * 2^10 + Y * 2^8

= (Y << 10) + (Y << 8)

А чтобы получить адрес пикселя надо еще прибавить X:

Адрес пикселя = (Y << 10) + (Y << 8) + X

Эти вычисления на ARM укладываются в две команды:

ADD R3, R2, R1, LSL #8 ; R3 = (Y << 8) + X

ADD R0, R3, R1, LSL #10 ; R0 = (Y << 10) + R3

В результате в R0 лежит адрес пикселя.

Команда ADC

Это сложение с учетом бита переноса (Add with carry):

ADC Rd, Rn, <op2>

В качестве второго операнда используются регистр, сдвинутый регистр (см. MOV с LSL) или непосредстванное значение.

... Дописать ...