ARM汇编基础详解(PS学习汇编的原因)

目录

  • 前言
  • 1.GNU 汇编语法
  • 2.Cortex-A7 常用汇编指令
    • 2.1 处理器内部数据传输指令(内部寄存器数据非内存数据)
    • 2.2 存储器访问指令(RAM)
    • 2.3 压栈和出栈指令(了解)
    • 2.4 跳转指令
    • 2.5 算术运算指令
    • 2.6 逻辑运算指令

前言

我们在进行嵌入式 Linux 开发的时候是绝对要掌握基本的 ARM 汇编,因为 Cortex-A 芯片一上电 SP 指针(指向一段起始地址,指向栈顶)还没初始化C 环境还没准备好,所以肯定不能运行 C 代码,必须先用汇编语言设置好 C 环境,比如初始化 DDR、设置 SP指针等等,当汇编把 C 环境设置好了以后才可以运行 C 代码。所以 Cortex-A 一开始肯定是汇编代码,其实 STM32 也一样的,一开始也是汇编,以 STM32F103 为例,启动文件startup_stm32f10x_hd.s 就是汇编文件,只是这个文件 ST 已经写好了,我们根本不用去修改,所以大部分学习者都没有深入的去研究。汇编的知识很庞大,本章我们只讲解最常用的一些指令,满足我们后续学习即可。

至于要写多少汇编程序,那就看你能在哪一步把C 语言环境准备好。所谓的C语言环境就是保证C 语言能够正常运行。C 语言中的函数调用涉及到出栈入栈,出栈入栈就要对堆栈进行操作,所谓的堆栈其实就是一段内存,这段内存比较特殊,由SP 指针访问,SP 指针指向栈顶。芯片一上电SP 指针还没有初始化,所以C 语言没法运行,对于有些芯片还需要初始化DDR,因为芯片本身没有RAM,或者内部RAM 不开放给用户使用,用户代码需要在DDR 中运行,因此一开始要用汇编来初始化DDR 控制器。后面学习Uboot 和Linux 内核的时候汇编是必须要会的。在芯片上电以后用汇编来初始化一些外设,不会涉及到复杂的代码,而且使用到的指令都是很简单的,用到的就那么十几个指令

在这里插入图片描述

1.GNU 汇编语法

如果大家使用过 STM32 的话就会知道 MDK 和 IAR 下的启动文件 startup_stm32f10x_hd.s其中的汇编语法是有所不同的,将 MDK 下的汇编文件直接复制到 IAR 下去编译就会出错,因为 MDK 和 IAR 的编译器不同,因此对于汇编的语法就有一些小区别。我们要编写的是 ARM汇编,编译使用的 GCC 交叉编译器,所以我们的汇编代码要符合 GNU 语法。

GNU 汇编语法适用于所有的架构,并不是 ARM 独享的,GNU 汇编由一系列的语句组成,每行一条语句,每条语句有三个可选部分,如下:

label:instruction @ comment

labe: l即标号,表示地址位置,有些指令前面可能会有标号,这样就可以通过这个标号得到指令的地址,标号也可以用来表示数据地址。注意 label 后面的“:”,任何以“:”结尾的标识符都会被识别为一个标号。

instruction: 即指令,也就是汇编指令或伪指令

@ 符号:表示后面的是注释,就跟 C 语言里面的“/”和“/”一样,其实在 GNU 汇编文件中我们也可以使用“/”和“/”来注释。

comment: 就是注释内容。

比如如下代码:

add:
MOVS R0, #0X12         @设置 R0=0X12

上面代码中“add:”就是标号,“MOVS R0,#0X12”就是指令,最后的“@设置 R0=0X12”就是注释。

注意!ARM 中的指令、伪指令、伪操作、寄存器名等可以全部使用大写,也可以全部使用小写,但是不能大小写混用。

用户可以使用.section 伪操作来定义一个段,每个段以段名开始,以下一段名或者文件结尾结束,比如:

.section .testsection @定义一个 testsetcion 段

汇编系统预定义了一些段名:

定义段名
.text表示代码段。
.data初始化的数据段。
.bss未初始化的数据段。
.rodata只读数据段。

汇编程序的默认入口标号是_start,不过我们也可以在链接脚本中使用 ENTRY 来指明其它的入口点,下面的代码就是使用_start 作为入口标号:

.global _start_start:
ldr r0, =0x12 @r0=0x12

上面代码中.global 是伪操作,表示_start 是一个全局标号,类似 C 语言里面的全局变量一样,常见的伪操作有(了解即可):

伪操作含义
.byte定义单字节数据,比如.byte 0x12。
.short定义双字节数据,比如.short 0x1234。
.long定义一个 4 字节数据,比如.long 0x12345678。
.equ赋值语句,格式为:.equ 变量名,表达式,比如.equ num, 0x12,表示 num=0x12。
.align数据字节对齐,比如:.align 4 表示 4 字节对齐。
.end表示源文件结束。
.global定义一个全局符号,格式为:.global symbol,比如:.global _start。

GNU 汇编还有其它的伪操作,但是最常见的就是上面这些,如果想详细的了解全部的伪操作,可以参考《ARM Cortex-A(armV7)编程手册 V4.0.pdf》的 57 页。

GNU 汇编同样也支持函数,函数格式如下:

函数名:函数体返回语句

GNU 汇编函数返回语句不是必须的,如下代码就是用汇编写的。 Cortex-A7 中断服务函数:

                                  汇编函数的定义
/* 未定义中断 */
Undefined_Handler:ldr r0, =Undefined_Handlerbx r0/* SVC 中断 */
SVC_Handler:ldr r0, =SVC_Handlerbx r0/* 预取终止中断 */
PrefAbort_Handler:ldr r0, =PrefAbort_Handlerbx r0

上述代码中定义了三个汇编函数:Undefined_Handler、SVC_Handler 和PrefAbort_Handler。以函数 Undefined_Handler 为例我们来看一下汇编函数组成:

  • “Undefined_Handler”就是函数名
  • “ldr r0, =Undefined_Handler”是函数体
  • “bx r0”是函数返回语句,“bx”指令是返回指令,函数返回语句不是必须的。

2.Cortex-A7 常用汇编指令

介绍一些常用的 Cortex-A7 汇编指令,如果想系统的了解 Cortex-A7 的所有汇编指令请参考《ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition.pdf》的 A4章节。

2.1 处理器内部数据传输指令(内部寄存器数据非内存数据)

使用处理器做的最多事情就是在处理器内部来回的传递数据,常见的操作有:

①、将数据从一个寄存器传递到另外一个寄存器。
②、将数据从一个寄存器传递到特殊寄存器,如 CPSR 和 SPSR 寄存器。
③、将立即数传递到寄存器。

数据传输常用的指令有三个:MOV、MRS 和 MSR,这三个指令的用法如表 7.2.1.1 所示:

指令目的描述
MOVR0R1将 R1 里面的数据复制到 R0 中。
MRSR0CPSR将特殊寄存器 CPSR 里面的数据复制到 R0 中。
MSRCPSRR1将 R1 里面的数据复制到特殊寄存器 CPSR 里中。

分别来详细的介绍一下如何使用这三个指令:

1 、MOV 指令

MOV 指令用于将数据从一个寄存器拷贝到另外一个寄存器,或者将一个立即数传递到寄存器里面,使用示例如下:

MOV     R0,R1                      @将寄存器 R1 中的数据传递给 R0,即 R0=R1
MOV     R0, #0X12                   @将立即数 0X12 传递给 R0 寄存器,即 R0=0X12

2 、MRS 指令

MRS 指令用于将特殊寄存器(如 CPSR 和 SPSR)中的数据传递给通用寄存器,要读取特殊寄存器的数据只能使用 MRS 指令!使用示例如下:

MRS    R0, CPSR       @将特殊寄存器 CPSR 里面的数据传递给 R0,即 R0=CPSR

3 、MSR 指令

MSR 指令和 MRS 刚好相反,MSR 指令用来将普通寄存器的数据传递给特殊寄存器,也就是写特殊寄存器,写特殊寄存器只能使用 MSR,使用示例如下:

MSR    CPSR, R0            @将 R0 中的数据复制到 CPSR 中,即 CPSR=R0

上面三条指令均不能实现a=b(赋值),因为他们直接操作的是处理器内部寄存器(上篇博文给出了内部寄存器的示意图),而a=b(赋值)是对内存(RAM)的操作。
下面的存储器(即RAM,不是SD卡,不是FLASH)访问指令才可以实现。

2.2 存储器访问指令(RAM)

ARM的CPU 不能直接访问存储器(RAM)中的数据,I.MX6UL 中的寄存器就是 RAM 类型的,我们用汇编来配置 I.MX6UL 寄存器的时候需要借助存储器访问指令,一般先将要配置的值写入到 Rx(x=0~12)(通用)寄存器中,然后借助存储器访问指令将 Rx 中的数据写入到 I.MX6UL 寄存器中。读取 I.MX6UL 寄存器也是一样的,只是过程相反。常用的存储器访问指令有两种:LDR 和STR,用法如表:

指令描述
LDR Rd, [Rn , #offset]存储器(RAM) Rn+offset 的位置读取数据存放到 Rd 中。
STR Rd, [Rn, #offset]将 Rd 中的数据写入存储器(RAM) 中的 Rn+offset 位置。

分别来详细的介绍一下如何使用这两个指令(写驱动最常用的两个指令):

1 、LDR 指令

LDR 主要用于从存储器(RAM)加载数据到寄存器 Rx 中,LDR 也可以将一个立即数加载到寄存器 Rx中,LDR 加载立即数的时候要使用“=”,而不是“#”。在嵌入式开发中,LDR 最常用的就是读取 CPU 的寄存器值,比如 I.MX6UL 有个寄存器 GPIO1_GDIR,其地址为 0X0209C004,我们现在要读取这个寄存器中的数据,示例代码如下:

                            示例代码  LDR 指令使用LDR   R0, =0X0209C004      @将寄存器地址 0X0209C004 加载到 R0 中,即 R0=0X0209C004LDR   R1, [R0]             @读取地址 0X0209C004 中的数据到 R1 寄存器中

上述代码就是读取寄存器 GPIO1_GDIR 中的值,读取到的寄存器值保存在 R1 寄存器中,上面代码中 offset 是 0,也就是没有用到 offset。

2 、STR 指令

LDR 是从存储器读取数据,STR 就是将数据写入到存储器中,同样以 I.MX6UL 寄存器GPIO1_GDIR 为例,现在我们要配置寄存器 GPIO1_GDIR 的值为 0X2000002,示例代码如下:

                          示例代码  STR 指令使用LDR     R0, =0X0209C004 	  @将寄存器地址 0X0209C004 加载到 R0 中,即 R0=0X0209C004LDR	 R1, =0X20000002 	  @R1 保存要写入到寄存器的值,即 R1=0X20000002STR	 R1, [R0] 		      @将 R1 中的值写入到 R0 中所保存的地址中

LDR 和 STR 都是按照字进行读取和写入的,也就是操作的 32 位数据,如果要按照字节、半字进行操作的话可以在指令“LDR”后面加上 B 或 H,比如按字节操作的指令就是 LDRB 和STRB,按半字操作的指令就是 LDRH 和 STRH。

2.3 压栈和出栈指令(了解)

我们通常会在 A 函数中调用 B 函数,当 B 函数执行完以后再回到 A 函数继续执行。要想在跳回 A 函数以后代码能够接着正常运行,那就必须在跳到 B 函数之前将当前处理器状态保存起来(就是保存 R0~R15 这些寄存器值),当 B 函数执行完成以后再用前面保存的寄存器值恢复R0~R15 即可。保存 R0~R15 寄存器的操作就叫做现场保护,恢复 R0~R15 寄存器的操作就叫做恢复现场。在进行现场保护的时候需要进行压栈(入栈)操作,恢复现场就要进行出栈操作。压栈的指令为 PUSH,出栈的指令为 POP,PUSH 和 POP 是一种多存储和多加载指令,即可以一次操作多个寄存器数据,他们利用当前的栈指针 SP 来生成地址,PUSH 和 POP 的用法如表所示:

指令描述
PUSH将寄存器列表存入栈中。
POP从栈中恢复寄存器列表。

假如我们现在要将 R0~R3 和 R12 这 5 个寄存器压栈,当前的 SP 指针指向 0X80000000,处理器的堆栈是向下增长的,使用的汇编代码如下:

PUSH 	{R0~R3, R12} 	@将 R0~R3 和 R12 压栈

压栈完成以后的堆栈如图所示:

在这里插入图片描述
就是分两步对 R0~R3,R2 和 LR 进行压栈以后的堆栈模型,如果我们要出栈的话就是使用如下代码:

POP   {LR}          @先恢复 LR
POP   {R0~R3,R12}   @在恢复 R0~R3,R12

出栈的就是从栈顶,也就是 SP 当前执行的位置开始,地址依次减小来提取堆栈中的数据到要恢复的寄存器列表中。PUSH 和 POP 的另外一种写法是“STMFD SP!”和“LDMFD SP!”,
因此上面的汇编代码可以改为:

 STMFD 	SP!,{R0~R3, R12} 	@R0~R3,R12 入栈STMFD 	SP!,{LR} 			@LR 入栈LDMFD 	SP!, {LR} 			@先恢复 LRLDMFD	 SP!, {R0~R3, R12}  @再恢复 R0~R3, R12

STMFD 可以分为两部分:STM 和 FD,同理,LDMFD 也可以分为 LDM 和 FD。看到 STM和 LDM 有没有觉得似曾相识(不是 STM32 啊啊啊啊),前面我们讲了 LDR 和 STR,这两个是数据加载和存储指令,但是每次只能读写存储器中的一个数据。STM 和 LDM 就是多存储和多加载,可以连续的读写存储器中的多个连续数据。FD 是 Full Descending 的缩写,即满递减的意思。根据 ATPCS 规则,ARM 使用的 FD 类型的堆栈,SP 指向最后一个入栈的数值,堆栈是由高地址向下增长的,也就是前面说的向下增长的堆栈,因此最常用的指令就是 STMFD 和 LDMFD。STM 和 LDM 的指令寄存器列表中编号小的对应低地址,编号高的对应高地址。

2.4 跳转指令

有多种跳转操作,比如:

①、直接使用跳转指令 B、BL、BX 等。
②、直接向 PC 寄存器里面写入数据。
上述两种方法都可以完成跳转操作,但是一般常用的还是 B、BL 或 BX,用法如表:

指令描述
B(回不来)跳转到 label,如果跳转范围超过了+/-2KB,可以指定 B.W使用 32 位版本的跳转指令, 这样可以得到较大范围的跳转
BX间接跳转,跳转到存放于 Rm 中的地址处,并且切换指令集
BL(回得来)跳转到标号地址,并将返回地址保存在 LR 中。
BLX结合 BX 和 BL 的特点,跳转到 Rm 指定的地址,并将返回地址保存在 LR 中,切换指令集。

我们重点来看一下 B 和 BL 指令,因为这两个是我们用的最多的,如果要在汇编中进行函数调用使用的就是 B 和 BL 指令:

1 、B 指令

这是最简单的跳转指令,B 指令会将 PC 寄存器的值设置为跳转目标地址,一旦执行 B 指令,ARM 处理器就会立即跳转到指定的目标地址。如果要调用的函数不会再返回到原来的执行处,那就可以用 B 指令,如下示例:

					示例代码  B 指令示例_start:ldr   sp,=0X80200000 	@设置栈指针b  main 				@跳转到 main 函数

上述代码就是典型的在汇编中初始化 C运行环境,然后跳转到C文件的 main函数中运行,上述代码只是初始化了 SP 指针,有些处理器还需要做其他的初始化,比如初始化 DDR 等等。因为跳转到 C 文件以后再也不会回到汇编了,所以在第 4 行使用了 B 指令来完成跳转。

2 、BL 指令

BL 指令相比 B 指令,在跳转之前会在寄存器 LR(R14)中保存当前 PC 寄存器值,所以可以通过将 LR 寄存器中的值重新加载到 PC 中来继续从跳转之前的代码处运行,这是子程序调用一个基本但常用的手段。比如 Cortex-A 处理器的 irq 中断服务函数都是汇编写的,主要用汇编来实现现场的保护和恢复、获取中断号等。但是具体的中断处理过程都是 C 函数,所以就会存在汇编中调用 C 函数的问题。而且当 C 语言版本的中断处理函数执行完成以后是需要返回到irq 汇编中断服务函数,因为还要处理其他的工作,一般是恢复现场。这个时候就不能直接使用B 指令了,因为 B 指令一旦跳转就再也不会回来了,这个时候要使用 BL 指令,示例代码如下:

				示例代码 BL 指令示例
1 	push 	{r0, r1} 			@保存 r0,r1
2 	cps 	#0x13 				@进入 SVC 模式,允许其他中断再次进去
3
5 	bl 		system_irqhandler 	@加载 C 语言中断处理函数到 r2 寄存器中
6
7 	cps 	#0x12 				@进入 IRQ 模式
8 	pop 	{r0, r1}
9 	str 	r0, [r1, #0X10] 	@中断执行完成,写 EOIR

上述代码中第 5 行就是执行 C 语言版的中断处理函数,当处理完成以后是需要返回来继续执行下面的程序,所以使用了 BL 指令。

2.5 算术运算指令

汇编中也可以进行算术运算, 比如加减乘除,常用的运算指令用法如表 所示:

指令计算公式备注
ADD Rd, Rn, RmRd = Rn + Rm加法运算,指令为 ADD
ADD Rd, Rn, #immedRd = Rn + #immed加法运算,指令为 ADD
ADC Rd, Rn, RmRd = Rn + Rm + 进位带进位的加法运算,指令为 ADC
ADC Rd, Rn, #immedRd = Rn + #immed +进位带进位的加法运算,指令为 ADC
SUB Rd, Rn, RmRd = Rn – Rm减法
SUB Rd, #immedRd = Rd - #immed减法
SUB Rd, Rn, #immedRd = Rn - #immed减法
SBC Rd, Rn, #immedRd = Rn - #immed – 借位带借位的减法
SBC Rd, Rn ,RmRd = Rn – Rm – 借位带借位的减法
MUL Rd, Rn, RmRd = Rn * Rm乘法(32 位)
UDIV Rd, Rn, RmRd = Rn / Rm无符号除法
SDIV Rd, Rn, RmRd = Rn / Rm有符号除法

在嵌入式开发中最常会用的就是加减指令,乘除基本用不到。

2.6 逻辑运算指令

我们用 C 语言进行 CPU 寄存器配置的时候常常需要用到逻辑运算符号,比如“&”、“|”等逻辑运算符。使用汇编语言的时候也可以使用逻辑运算指令,常用的运算指令用法如表 所示:
在这里插入图片描述
逻辑运算指令都很好理解,后面时候汇编配置 I.MX6UL 的外设寄存器的时候可能会用到

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