ARM 汇编指令：LSL（逻辑左移） 和 LSR（逻辑右移）

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。

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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。

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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。

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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

指令	全称	方向	填充值	主要数学意义	典型用途
LSL	Logical Shift Left	向左	低位补 0	乘以 2^n	快速乘法、位组装、掩码生成
LSR	Logical Shift Right	向右	高位补 0	无符号除以 2^n	快速无符号除法、位提取、无符号数处理

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。