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ARM 汇编指令：LSL（逻辑左移） 和 LSR（逻辑右移）

本文来自于我关于 ARM 汇编指令系列文章。欢迎阅读、点评与交流~
1、汇编指令在不同架构中的联系与区别
2、ARM 汇编指令：MOV
3、ARM 汇编指令：LDR
4、ARM 汇编指令：STR
5、ARM 汇编指令：MRS 和 MSR
6、ARM 汇编指令：ORRS
7、ARM 汇编指令：BEQ
8、ARM 汇编指令：TST
9、ARM 汇编指令：B
10、ARM 汇编指令：BX
11、ARM 汇编指令：ERET
12、ARM 汇编指令：STP\LDP
13、ARM 汇编指令：UBFX
14、ARM 汇编指令：STM
15、ARM 汇编指令：LDM
16、ARM 汇编指令：LSL（逻辑左移） 和 LSR（逻辑右移）
17、ARM 汇编指令：ROR（循环右移）

LSL和LSR是 ARM 汇编中两个最基础且重要的移位指令。

核心概念：移位操作

在了解具体指令前，首先要明白移位是什么。想象一个二进制数，比如8的 8 位二进制表示是00001000。

• 左移就是将所有位向左移动，空出的低位补 0。00001000左移 1 位变成00010000（即 16）。左移一位通常相当于乘以 2。
• 逻辑右移就是将所有位向右移动，空出的高位补 0。00001000右移 1 位变成00000100（即 4）。逻辑右移一位通常相当于除以 2（向零取整）。

在 ARM 中，移位操作不仅可以单独使用，还能与大多数数据处理指令（如ADD,MOV,CMP等）免费结合，这是 ARM 指令集一个非常强大和灵活的特性。但我们先看作为独立指令的LSL和LSR。

1. LSL - 逻辑左移

功能：将寄存器中的二进制位向左移动指定的位数，右侧空出的低位用 0 填充。
本质：相当于无符号乘法（乘以 2^n）。

语法：

LSL{S} <Rd>, <Rm>, <Rs> ; 用寄存器 Rs 的值指定移位位数 LSL{S} <Rd>, <Rm>, #<imm5> ; 用立即数 imm5 (0-31) 指定移位位数

• {S}：可选的条件标志更新后缀。如果加上S，则根据移位结果更新CPSR中的N（负标志）和Z（零标志）。移位操作也会影响C（进位标志）。
• <Rd>：目标寄存器。
• <Rm>：源操作数寄存器。
• <Rs>：存放移位位数的寄存器（通常只使用低 8 位）。
• #<imm5>：5 位立即数移位量（0-31）。

工作原理：

Before: Rm = [b31 b30 ... b1 b0] After: Rd = [b31-n ... b0 0 ... 0] <-- n 个 0 填入低位 \___________/ 向左移动 n 位

最后移出的那一位（原b31-n+1位）会进入CPSR的C（进位）标志。

示例：

MOV R1, #5 ; R1 = 5 (二进制 00000101) LSL R0, R1, #2 ; R0 = R1 << 2 ; 计算过程： 00000101 << 2 = 00010100 ; 结果： R0 = 20 (5 * 4)

MOVS R2, #0x80000001 ; R2 = 0x80000001，设置标志 LSLS R3, R2, #1 ; R3 = R2 << 1，并更新标志 ; 计算过程： 1000...0001 << 1 = 0000...0010 ; 结果： R3 = 0x00000002 ; 标志变化：最后移出的 '1' 进入 C 标志，所以 C = 1。结果非零，所以 Z = 0。

2. LSR - 逻辑右移

功能：将寄存器中的二进制位向右移动指定的位数，左侧空出的高位用 0 填充。
本质：相当于无符号除法（除以 2^n）。

语法：

LSR{S} <Rd>, <Rm>, <Rs> ; 用寄存器 Rs 的值指定移位位数 LSR{S} <Rd>, <Rm>, #<imm5> ; 用立即数 imm5 (1-32) 指定移位位数

注意：立即数移位范围是1-32。当#imm5为 32 时，结果为 0，且最后移出的位进入C标志。

工作原理：

Before: Rm = [b31 b30 ... b1 b0] After: Rd = [0 ... 0 b31 ... bn] <-- n 个 0 填入高位 \___________/ 向右移动 n 位

最后移出的那一位（原bn-1位）会进入CPSR的C（进位）标志。

示例：

MOV R1, #20 ; R1 = 20 (二进制 00010100) LSR R0, R1, #2 ; R0 = R1 >> 2 ; 计算过程： 00010100 >> 2 = 00000101 ; 结果： R0 = 5 (20 / 4)

MOV R2, #0x80000001 ; R2 = 0x80000001 LSRS R3, R2, #1 ; R3 = R2 >> 1，并更新标志 ; 计算过程： 1000...0001 >> 1 = 0100...0000 ; 结果： R3 = 0x40000000 ; 标志变化：最后移出的 '1' 进入 C 标志，所以 C = 1。结果非负非零，所以 N=0, Z=0。

关键点与进阶用法

1. 移位量为 0：对于LSL #0，操作数不变，但可能影响C标志（C标志会被设置为ALU的进位输出，在移位量为0的特定情况下，其行为有详细规定，通常编程时可忽略此边界情况）。对于LSR #0，在 ARM 中实际表示LSR #32，这是一个特例。

2. 桶形移位器：ARM 处理器有一个称为“桶形移位器”的硬件单元，这使得移位操作可以在一个时钟周期内完成，并且可以与其他指令结合而无额外开销。这是 ARM 指令集高效的关键之一。

3. 与其他指令结合（灵活的第二操作数）：
   这是 ARM 汇编最常用的特性之一。几乎所有的数据处理指令（ADD,SUB,MOV,CMP,AND,ORR等）的第二个操作数都可以先进行移位，然后再参与运算。

   ADD R0, R1, R2, LSL #2 ; R0 = R1 + (R2 * 4) CMP R3, R4, LSR #3 ; 比较 R3 和 (R4 / 8) MOV R5, R6, ROR #4 ; R5 = 将 R6 循环右移 4 位后的值 (ROR是另一种移位)

   这种结合极大地增强了指令的表达能力，一条指令完成了“移位+运算”。

4. 与算术右移 ASR 的区别：

   • LSR是逻辑右移，高位补0。用于处理无符号数。
   • ASR（算术右移）高位用原最高位（符号位）填充。用于保持有符号数的符号，相当于有符号除法。

总结

掌握LSL和LSR是理解 ARM 高效编程和位操作的基础。务必通过实践来熟悉它们的行为，尤其是与条件标志和与其他指令结合使用的方式。