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ARM 架构简明教程学习笔记

news 2025/8/19 5:58:30

FreeRTOS 前置知识 - ARM 架构底层原理超详细复习笔记

一、知识总览

这部分内容是理解嵌入式程序运行的基石，从芯片指令集（RISC）、CPU 数据暂存（寄存器），到操作硬件的汇编指令，层层拆解程序在 ARM 硬件上 “如何跑起来”“如何控制数据和流程”，为后续 FreeRTOS 任务调度、硬件交互打基础。

二、核心概念分步解析

（一）1.1 RISC

  • 定义：ARM 芯片采用的精简指令集计算机架构（Reduced Instruction Set Computing），指令简单且遵循 3 大规则：
    • 对内存 只有读（Load）、写（Store）指令：数据运算必须先把内存数据读到 CPU 内部，运算完再写回内存，无法 “跨内存直接运算” 。
    • 数据运算在 CPU 内部实现：依赖 CPU 里的运算单元（如 ALU ）处理数据 。
    • CPU 复杂度低：指令简单，硬件设计、实现难度小，适配嵌入式设备资源受限场景 。
  • 乘法运算示例（a = a * b 流程 ）：
    • 步骤拆解：①读内存 a → ②读内存 b → ③CPU 内部计算 a*b → ④写结果回内存 a 。
    • 本质：因 RISC 指令 “精简”，复杂运算需拆分为 “读 - 算 - 写” 步骤，不像复杂指令集（CISC）可一条指令完成多操作 。

（二）1.3 CPU 内部寄存器

  • 核心作用：临时存储数据、地址、程序状态！不管是 Cortex - M3/M4 还是 A7，CPU 都有 R0 - R15 通用寄存器 + 程序状态寄存器（xPSR ），用于运算时暂存数据、标记程序状态 。
  • 运算流程示例（以 a + b 为例，a = 0x12，b = 0x34 ）：
    1. 读数据到寄存器：
      • 用 LDR R0, [a] 指令，把内存地址 a 里的数据（0x12 ）读到 R0 寄存器 。
      • 用 LDR R1, [b] 指令，把内存地址 b 里的数据（0x34 ）读到 R1 寄存器 。
    2. CPU 内部运算：
      • 执行 ADD R0, R0, R1 ，CPU 的 ALU（算术逻辑单元 ）用 R0、R1 的数据做加法，结果存回 R0 寄存器（R0 = 0x12 + 0x34 = 0x46 ） 。
    3. 写结果回内存：
      • 用 STR R0, [a] 指令，把 R0 里的结果（0x46 ）写回内存地址 a 。
  • 寄存器角色：R0、R1 是 “临时工作台”，存运算的输入 / 输出数据；ALU 是 “计算器”，负责算术逻辑运算；xPSR 存运算状态（如进位、借位标志 ） 。

（三）1.4 汇编指令

汇编指令是直接操作 CPU 寄存器、内存、控制程序流程的底层指令，基于 RISC 特性设计，核心分类及用法：

1. 内存读写指令
  • 读内存（Load - LDR ）：
    • 示例：LDR R0, [R1, #4]
    • 功能：读取 地址 = R1 + 4 处的 4 字节内存数据，存入 R0 寄存器 。
    • 原理：R1 是 “基地址”，#4 是 “偏移量”，合起来定位内存位置，把数据 “抓” 到 CPU 内部（契合 RISC “读内存” 需求 ） 。
  • 写内存（Store - STR ）：
    • 示例：STR R0, [R1, #4]
    • 功能：把 R0 里的 4 字节数据，写入 地址 = R1 + 4 的内存位置 。
    • 原理：与 LDR 相反，把 CPU 寄存器的数据 “推” 回内存（契合 RISC “写内存” 需求 ） 。
2. 算术运算指令
  • 加法（ADD ）：
    • 格式 1：ADD R0, R1, R2 → 功能：R0 = R1 + R2 （三寄存器参与，前一个存结果，后两个存加数 ） 。
    • 格式 2：ADD R0, R0, #1 → 功能：R0 = R0 + 1 （寄存器自增，常用写法 ） 。
  • 减法（SUB ）：
    • 格式 1：SUB R0, R1, R2 → 功能：R0 = R1 - R2 。
    • 格式 2：SUB R0, R0, #1 → 功能：R0 = R0 - 1 （寄存器自减 ） 。
  • 原理：依托 CPU 内部 ALU 实现运算，直接操作寄存器数据（契合 RISC “运算在 CPU 内部” 的规则 ） 。
3. 比较指令（CMP ）
  • 示例：CMP R0, R1
  • 功能：比较 R0 和 R1 的数据，结果存入 程序状态寄存器（xPSR ）（如记录 “相等 / 不等”“大于 / 小于” 标志 ） ，后续跳转指令（如 BEQ“相等则跳转” ）依据这些标志决定是否执行 。
  • 原理：修改程序状态寄存器，为流程控制提供判断依据 。
4. 跳转指令（B、BL ）

  • 直接跳转（B ）：

    • 示例：B main
    • 功能：直接跳转到标签 main（函数 / 地址 ）处执行，不保存返回地址 。
    • 原理：修改 程序计数器（PC，即 R15 ） 的值，让 CPU 从新地址取指令执行 。

  • 带返回跳转（BL ）：

    • 示例：BL main
    • 功能：跳转前，把当前 PC 的值（返回地址 ） 存入 链接寄存器（LR，即 R14 ） ；执行完 main 后，可通过恢复 LR 的值回到跳转前的代码位置 。
    • 原理：依靠 LR 暂存返回地址，实现 “去 - 回” 的函数调用流程 。

  • 笔记位置：讲完寄存器，汇编指令是操作寄存器、内存、控制流程的 “具体工具”，顺着知识链深入解析 。插入第二张图，展示汇编指令分类及示例 。

（四）特殊寄存器解析

除通用寄存器，ARM 还有 3 个关键特殊寄存器：

  • R13（SP - 栈指针 ）：
    • 功能：指向 栈顶位置 ，栈用于存储函数局部变量、函数调用的上下文（如参数、返回地址 ） 。
    • 示例：函数调用时，PUSH {R0, R1} 会把 R0、R1 的值压入栈，SP 自动减小（栈向下生长 ）；POP {R0, R1} 会从栈弹出数据到 R0、R1，SP 自动增大 。
  • R14（LR - 链接寄存器 ）：
    • 功能：保存返回地址 ，执行 BL 跳转指令时，当前 PC 的值（跳转前的指令地址 ）会存入 LR；函数返回时，把 LR 的值恢复到 PC，即可回到跳转前的代码 。
  • R15（PC - 程序计数器 ）：
    • 功能：存储 下一条要执行的指令地址 ，CPU 按 PC 的值从内存取指令执行；修改 PC 的值可实现跳转（如 B、BL 指令本质是修改 PC ） 。
  • xPSR（程序状态寄存器 ）：
    • 功能：存储程序运行的 状态标志（如 CMP 指令的比较结果、中断状态 ） ，控制程序流程（如条件跳转依赖 xPSR 的标志位 ） 。

三、知识串联（从指令集到程序执行 ）

  1. 数据运算流程：
    若要执行 a = a * b（RISC 场景 ），需先通过 汇编指令（LDR ），借助 通用寄存器（如 R0、R1 ） 作为 “临时仓库”，将内存中的 a、b 读入 CPU；再由 CPU 内部的运算单元（ALU ），通过 算术指令（如 MUL 乘法指令 ） 处理数据；最后用 汇编指令（STR ），把结果写回内存 。

  2. 流程控制逻辑：
    想跳转到 main 函数？通过 B 或 BL 指令修改 PC 寄存器 的值实现跳转；若用 BL 指令，还需依靠 LR 寄存器 暂存返回地址，确保 “去得回、回得来” 。

  3. 程序状态管理：
    CMP 指令会修改 xPSR 寄存器 的状态，后续的条件跳转指令（如 BEQ“相等则跳转”、BNE“不等则跳转” ），依据 xPSR 的标志位决定是否执行跳转 。

四、易错点 & 补充说明

易错点

  1. 内存读写与运算指令混用：
    RISC 架构严格区分 “内存读写” 和 “运算” 指令，无法用一条指令同时完成 “读内存 + 运算”（如不能直接写 ADD R0, [R1], [R2] ）。必须先通过 LDR 读数据到寄存器，再用 ADD 等运算指令处理 。

  2. 特殊寄存器功能混淆：
    SP、LR、PC 各自承担特殊职责，不可滥用！例如，若将普通数据存入 LR，会覆盖返回地址，导致函数调用无法正确返回 。

  3. 跳转指令理解偏差：
    B 指令是 “单向跳转”（若需返回，需额外处理 ），BL 指令是 “往返跳转”（自动保存返回地址 ）。编写函数调用逻辑时，需根据需求选择指令（通常函数调用用 BL ）。

FreeRTOS 前置知识 - ARM 架构函数调用与指令执行 超详细复习笔记

一、知识总览

这部分内容聚焦 ARM 架构下函数调用的完整流程，从 C 函数编写，到编译生成反汇编、汇编指令执行，再到 CPU 与内存交互、栈操作，拆解 “函数如何被调用”“数据如何传递 / 返回”“底层指令如何执行”，为理解 FreeRTOS 任务切换、函数嵌套调用打基础。

二、核心概念分步解析

（一）C 函数编写

  • 代码示例：
int add(volatile int a, volatile int b) {volatile int sum;sum = a + b;return sum;
}
  • 关键语法：
    • volatile：确保变量 a、b、sum 每次从内存读写（而非寄存器缓存 ），避免编译器优化干扰（嵌入式场景操作硬件寄存器时必用 ）。
    • 函数逻辑：接收两个 int 参数，做加法后返回结果 。

（二）反汇编生成

  • 操作步骤：在 Keil 中，通过 Options for Target → User 标签页，配置 After Build/Rebuild 命令：

    plaintext

    fromelf --text -a -c --output=xxx.dis xxx.axf

    编译工程后，自动生成反汇编文件（xxx.dis ），用于查看 C 函数对应的 汇编指令 + 机器码 。
  • 核心作用：将人类编写的 C 代码，转换为机器可执行的汇编 / 机器码，是连接 “上层逻辑” 与 “底层执行” 的桥梁 。

（三）add 函数反汇编解析

反汇编文件中，add 函数对应的指令如下：

i.add
add
0x08002f34:    b503        ..    PUSH    {r0, r1, lr}
0x08002f36:    b081        ..    SUB     sp, sp, #4
0x08002f38:    e9dd0101    ....    LDRD    r0, r1, [sp, #4]
0x08002f3c:    4408        .D    ADD     r0, r0, r1
0x08002f3e:    9000        ..    STR     r0, [sp, #0]
0x08002f40:    bd0e        ..    POP     {r1 - r3, pc}
  • 指令逐行解析：
    1. PUSH {r0, r1, lr}（地址 0x08002f34 ）：
      把寄存器 r0（参数 a ）、r1（参数 b ）、lr（链接寄存器，存返回地址 ）压入栈，保存 “函数调用前的现场”，避免被后续操作覆盖 。
    2. SUB sp, sp, #4（地址 0x08002f36 ）：
      调整 栈指针（sp ），为局部变量 sum 分配 4 字节栈空间（int 占 4 字节 ） 。
    3. LDRD r0, r1, [sp, #4]（地址 0x08002f38 ）：
      从栈中 sp + 4 位置，加载 8 字节数据到 r0、r1（因 LDRD 是双字加载指令 ）。实际对应从栈中读取参数 a（r0 ）、b（r1 ） 。
    4. ADD r0, r0, r1（地址 0x08002f3c ）：
      执行加法运算：r0 = r0 + r1（即 sum = a + b ） 。
    5. STR r0, [sp, #0]（地址 0x08002f3e ）：
      把 r0 的值（加法结果 sum ）存入栈中 sp + 0 位置（即分配给 sum 的栈空间 ） 。
    6. POP {r1 - r3, pc}（地址 0x08002f40 ）：
      从栈中恢复 r1 - r3 寄存器，并将 栈中保存的返回地址（之前 PUSH 存入的 lr 值 ）弹入 pc（程序计数器 ），实现 “函数返回”，回到调用处继续执行 。
  • 笔记位置：解析完反汇编生成，详细拆解 add 函数的汇编指令，理解 “C 代码 → 汇编指令” 的转换逻辑 。插入第五张图，展示 add 函数的反汇编内容 。

（四）函数调用流程

1. 调用前准备
  • C 代码：cnt = add(cnt, 1);（OLED_Test 函数中 ）
    • 功能：cnt 是循环计数器，每次调用 add 实现 cnt += 1 。
    • 传参逻辑：
      • cnt 的值存入 r0 寄存器（作为 add 的参数 a ）。
      • 常量 1 存入 r1 寄存器（作为 add 的参数 b ）。
      • 执行 BL add 指令（BL = Branch with Link ），跳转至 add 函数 。
  • 关键细节：BL 指令会自动将 当前 pc 的值（返回地址，如 0x08002a36 ） 存入 lr 寄存器，为 “返回调用处” 做准备 。
2. 函数执行与栈操作
  • 栈变化流程：
    1. 压栈保存现场：进入 add 函数后，执行 PUSH {r0, r1, lr}，将 r0（cnt ）、r1（1 ）、lr（返回地址 0x08002a36 ）压入栈，栈指针 sp 减小（栈向下生长 ）。
    2. 分配局部变量空间：执行 SUB sp, sp, #4，sp 继续减小，为 sum 分配 4 字节栈空间 。
    3. 运算与存结果：执行 LDRD 读参数、ADD 运算、STR 存结果，数据在 “栈 + 寄存器” 间流转 。
    4. 弹栈恢复现场：执行 POP {r1 - r3, pc}，恢复 r1 - r3 寄存器，将 lr 中保存的返回地址弹入 pc，回到 OLED_Test 函数继续执行 。
  • 栈空间图示：
    图中展示栈内存储的 lr（返回地址 0x08002a36 ）、r1 = 1、r0 = cnt 等数据，以及 sp 指针的移动过程（sp = A → 压栈后 sp = A - 12 → 分配局部变量后 sp = A - 16 ），直观呈现 “保存 - 运算 - 恢复” 的栈操作逻辑 。
  • 笔记位置：深入分析函数调用时 “栈 + 寄存器” 的交互，理解 ARM 架构的 “函数调用约定”（参数传递、返回地址保存、栈帧管理 ） 。插入第二张图，辅助理解栈操作流程 。
3. 调用后返回
  • 返回值传递：
    add 函数的返回值（sum ），通过 r0 寄存器 传递回 OLED_Test 函数（ARM 架构约定：函数返回值优先存入 r0 ）。
  • 程序计数器恢复：
    POP {r1 - r3, pc} 指令将栈中保存的返回地址（lr 的值 ）弹入 pc，CPU 从 pc 指向的地址（如 0x08002a36 ）继续执行 OLED_Test 函数后续代码 。
  • 笔记位置：完整梳理 “调用 → 执行 → 返回” 的全流程，串联栈操作、寄存器交互、指令执行 。插入第一张图，展示 OLED_Test 函数的汇编代码及 add 调用逻辑 。

（五）CPU 执行流程

  • 核心逻辑：CPU 从内存中 读取指令的机器码（如 add 函数的机器码 b503、b081 等 ），通过 指令译码器 解析为汇编指令，再调度运算单元（如 ALU ）执行操作，完成 “取指 → 译码 → 执行” 的流程 。
  • 图示解析：第四张图展示 CPU 从内存地址 0x08002f34 读取机器码（b503 等 ），执行对应的汇编指令（PUSH 等 ），体现 “硬件如何执行指令” 的最底层逻辑 。
  • 笔记位置：最后，从 “CPU 与内存交互” 的最底层视角，总结程序在 ARM 架构下的运行流程，串联函数调用、栈操作、指令执行的完整逻辑 。插入第四张图，呈现 CPU 执行指令的基本流程 。

三、知识串联（从 C 函数到 CPU 执行 ）

  1. 代码转换：add 函数的 C 代码，通过编译器编译、Keil 配置反汇编，生成对应的 汇编指令 + 机器码 。
  2. 函数调用：
    • OLED_Test 调用 add 时，通过 BL 指令跳转，自动将返回地址存入 lr；
    • add 函数内，通过 栈操作 保存现场、分配局部变量，执行加法后，通过 POP 恢复寄存器、将返回地址写入 pc，实现 “调用 - 返回” 。
  3. 指令执行：CPU 从内存中读取 add 函数的机器码，解析为汇编指令并执行，依托 寄存器 暂存数据、栈 管理函数上下文，最终完成加法逻辑并返回结果 。

四、易错点 & 补充说明

易错点

  1. volatile 关键字理解偏差：
    忘记 volatile 会导致编译器优化变量读写（如将变量缓存到寄存器 ），在嵌入式场景（如操作硬件寄存器、多任务共享变量 ）中，可能引发 “数据不同步” 问题。需牢记：volatile 变量 每次从内存读写，禁止编译器优化 。

  2. 栈操作顺序混淆：
    函数调用时，栈的 “压入（PUSH ）” 和 “弹出（POP ）” 需严格对称。若手动修改栈操作指令，可能导致 “现场保存不完整”，引发程序崩溃 。

  3. 返回值传递误解：
    ARM 架构中，函数返回值默认通过 r0 传递（若返回复杂类型，需额外处理 ）。若在汇编中手动修改 r0，可能覆盖返回值，导致上层逻辑错误 。

http://www.dtcms.com/a/336942.html

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