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嵌入式 - ARM（3）从基础调用到 C / 汇编互调

news 2025/9/10 9:54:42

ARM 汇编是嵌入式开发中的核心技术之一，尤其在底层驱动、实时系统等场景中应用广泛。本文将系统讲解 ARM 汇编中的函数机制，包括函数定义与调用、栈操作、现场保护、以及 C 语言与汇编的混合编程等关键技术，帮助开发者深入理解 ARM 架构下的函数执行原理。

一、ARM 函数的基本定义与调用机制

1.1 函数的定义格式

在 ARM 汇编中，函数的基本定义格式如下：

函数名:; 函数体指令序列bx lr  ; 函数返回

其中，bx lr是函数返回的关键指令，lr(Link Register) 寄存器存储了函数调用后的返回地址，通过该指令可将程序执行流切回到调用处。

1.2 函数调用的核心：PC 与 LR 的交互

ARM 架构中，函数调用通过b(branch) 和bl(branch with link) 指令实现，两者的核心区别在于是否保存返回地址：

  • b 标签：单纯跳转，不修改 LR 寄存器
  • bl 标签：跳转前自动将下一条指令地址存入 LR，为函数返回做准备

示例代码：

    b main        ; 跳转到main函数，不保存返回地址func:            ; 被调用函数mov r0, #1    ; 初始化r0mov r1, #2    ; 初始化r1add r3, r0, r1 ; 计算r3 = r0 + r1bx lr         ; 函数返回，跳回LR指向的地址main:            ; 主函数mov r0, #100  ; 初始化r0mov r1, #200  ; 初始化r1bl func       ; 调用func，自动将下条指令地址存入LRmov r3, #300  ; func返回后执行此指令

执行流程解析：

  1. bl func执行时，自动将mov r3, #300的地址存入 LR
  2. 执行 func 函数体
  3. bx lr将 PC 设置为 LR 的值，跳回 main 函数继续执行

二、栈操作：保护现场与恢复现场的基础（压栈/弹栈）

arm体系采用的方案是满减，但是在进行操作之前，我们必须告诉2440栈底的位置，

这里我们把栈底设置为0x40001000，从地址0x40000000开始的0x1000这段内存空间对应的

是2440内部的一段ram，总共4k。

实际能够使用的内存空间为[0x40000000~0x40000FFF]，

设置栈底指针寄存器: ldr sp =0x40001000

在函数调用过程中，栈是实现现场保护的关键结构，用于解决两个核心问题：

  • 被调函数修改主调函数使用的寄存器
  • 函数嵌套调用时的返回地址正确传递

2.1 ARM 的四种栈类型

ARM 架构定义了四种栈操作模式，由 "空 / 满" 和 "增 / 减" 组合而成：

类型定义操作逻辑
满增 (FA)栈指针指向最后一个已使用元素，入栈时先移动指针再存数据入栈：sp += 4; *sp = 数据
满减 (FD)栈指针指向最后一个已使用元素，入栈时先存数据再移动指针入栈：*sp = 数据；sp -= 4
空增 (EA)栈指针指向第一个空闲位置，入栈时先存数据再移动指针入栈：*sp = 数据；sp += 4
空减 (ED)栈指针指向第一个空闲位置，入栈时先移动指针再存数据入栈：sp -= 4; *sp = 数据

ARM 2440 常用模式：满减 (FD)，对应指令后缀fd（如stmfd、ldmfd）

2.2寄存器与内存之间的数据传输 ---- Idr str

 加载与存储指令 LDR/STR
LDR（加载）和 STR（存储）指令用于在内存和寄存器之间传送数据：

LDR<c> <Rt>, <label>     ; 从label指向的内存地址加载数据到Rt寄存器


STR<c> <Rt>, <label>     ; 将Rt寄存器的数据存储到label指向的内存地址

这些指令在初始化内存、设置异常向量表等操作中非常重要。

1、str 指令的基本语法--- 基于昨天拓展

str 指令的完整语法格式如下：

str{<cond>}{<type>} <src>, [<base>{, <offset>}]

各部分含义：

  • {<cond>}：可选条件码，用于条件执行（如 eq、ne、gt 等）。例如 streq 表示 “相等时才执行存储”。
  • {<type>}：可选数据类型，指定存储数据的长度及符号性：
    • 无后缀：默认存储 32 位字（word）
    • b：存储 8 位字节（byte）
    • h：存储 16 位半字（halfword）
    • sb：存储 8 位有符号字节（带符号扩展）
    • sh：存储 16 位有符号半字（带符号扩展）
  • <src>：源寄存器，即要存储到内存的数据所在的寄存器（如 r0、r1 等）。
  • [<base>]：基址寄存器，存储内存地址的基地址（如 r2 表示以 r2 中的值为基地址）。
  • {, <offset>}：可选偏移量，用于计算最终的内存地址，有多种形式（见下文）。

地址计算方式（偏移量类型）str 指令通过 “基址寄存器 + 偏移量” 计算目标内存地址，支持多种偏移模式：

  • 1. 立即数偏移（最常用）

直接指定一个立即数作为偏移量，格式为 #<imm>。

  • 前索引（pre-indexed）：先计算地址（基址 + 偏移），再存储数据。
    示例：str r0, [r1, #4]
    含义：将 r0 的值存储到地址 r1 + 4 处（r1 本身不变）。

  • 后索引（post-indexed）：先以基址存储数据，再更新基址（基址 + 偏移）。
    示例：str r0, [r1], #4
    含义：先将 r0 的值存储到 r1 指向的地址，再将 r1 的值更新为 r1 + 4。

  • 自动索引（with writeback）：前索引 + 自动更新基址，通过 ! 标记。
    示例：str r0, [r1, #4]!
    含义：将 r0 的值存储到 r1 + 4 处，同时将 r1 更新为 r1 + 4（! 表示 “写回” 基址）。

2、str 与 ldr 的配合使用

str 和 ldr 通常成对出现，用于实现 “寄存器→内存→寄存器” 的数据流转：

; 1. 将 r0 的值存入内存
mov r0, #100
ldr r1, =0x40000000
str r0, [r1]         ; 内存 0x40000000 处的值 = 100; 2. 从内存读取值到 r2
ldr r2, [r1]         ; r2 = 100（与 r0 原值一致）

2.3 栈顶指针的初始化

栈指针 (SP) 需要初始化到合法的内存区域，由于 ARM 的mov指令只能操作立即数，对于大地址需用ldr伪指令：

; 错误：0x40001000不是合法立即数，mov无法直接赋值
; mov sp, #0x40001000; 正确：使用ldr伪指令加载地址
ldr sp, =0x40001000

内存配置（以 Keil 为例）：

  • 魔术棒 -> Target -> IRAM1：
    • Start：0x40000000（内部 RAM 起始地址）
    • Size：0x1000（RAM 大小，需与 SP 初始化地址匹配）

2.4 现场保护与恢复指令

ARM 提供批量加载 / 存储指令实现现场保护：

1、保护现场（入栈）---stmfd

stmfd sp!, {r0-r12, lr}  ; 将r0-r12和lr寄存器入栈，!表示自动更新sp

stmfd (store(存储) multiple(多个) full(满) decrease(减少))


STMFD<c> <Rn>{!}, <registers>
<Rn>：栈顶指针寄存器
{!},：入栈出栈后，栈顶指针寄存器自减
<registers>：入栈出栈的寄存器列表

  • stmfd：store multiple full decrease（满减模式存储多个寄存器）
  • {r0-r12, lr}：需要保护的寄存器列表（通用寄存器 + 返回地址）

2、恢复现场（出栈）---ldmfd

ldmfd sp!, {r0-r12, pc}  ; 从栈中恢复寄存器，最后将lr值赋给pc实现返回

ldmfd (load(加载) multiple(多个) full(满) decrease(减少))


LDMFD<c> <Rn>{!}, <registers>

       <Rn>：栈顶指针寄存器
{!},：入栈出栈后，栈顶指针寄存器自减
<registers>：入栈出栈的寄存器列表

  • ldmfd：load multiple full decrease（满减模式加载多个寄存器）
  • 用pc替代lr可直接实现函数返回，简化指令

2.5 嵌套函数调用的现场保护示例

    b main        ; 程序入口func1:           ; 二级函数mov r0, #10mov r1, #20cmp r0, r1    ; 比较r0和r1movge r2, r0  ; 若r0 >= r1，r2 = r0movlt r2, r1  ; 若r0 < r1，r2 = r1bx lr         ; 返回func0:           ; 一级函数mov r0, #1mov r1, #2add r3, r0, r1 ; 计算r3 = 3stmfd sp!, {r0-r12, lr}  ; 保护现场bl func1     ; 调用func1ldmfd sp!, {r0-r12, pc}  ; 恢复现场并返回main:            ; 主函数ldr sp, =0x40001000  ; 初始化栈指针mov r0, #100mov r1, #200stmfd sp!, {r0-r12, lr}  ; 保护主函数现场bl func0     ; 调用func0ldmfd sp!, {r0-r12, lr}  ; 恢复主函数现场mov r3, #300finish:b finish     ; 程序结束循环
end

三、汇编与 C 语言的混合编程

在实际开发中，往往需要汇编与 C 语言混合编程：汇编负责底层硬件操作，C 负责上层逻辑实现。

---- 汇编c语言混合编程--配置

        魔术棒 -> Debug -> Use Simulator->Run to main(取消)
魔术棒 -> Linker -> Use Memory Layout from Taget Dialog(勾选)
魔术棒 -> Taget -> ROM1 -> Start： 0x0 Size：0x2000

3.1 汇编中调用 C 函数

        在汇编中调用c语言编写的函数

设有c语言定义的函数void func_c(void)

;在汇编代码中调用该函数，只需用import声明函数名即可，之后就可以使用bl指令调用该函数，注意，既然是调函数，就一定要保护现场

步骤详解：

  1. 创建 C 函数文件（main.c）：

    void c_add(int a, int b, int c, int d, int e) {int result = a + b + c + d + e;// 函数实现
}

  2. extren声明外部函数：

  3.  导入 import c_add； （keil当中要求）

    extern void c_add(void);  // 声明C函数
import c_add;            // Keil环境下需导入

  4. 调用流程（含现场保护）：

    ; 保护现场
stmfd sp!, {r0-r12, lr}; 准备参数（ARM函数调用约定）
; r0-r3传递前4个参数，其余参数入栈
mov r0, #1    ; 第1个参数
mov r1, #2    ; 第2个参数
mov r2, #3    ; 第3个参数
mov r3, #4    ; 第4个参数
mov r4, #5    ; 第5个参数
stmfd sp!, {r4}  ; 第5个参数入栈; 调用C函数
bl c_add; 清理栈上的参数
ldmfd sp!, {r4}; 恢复现场
ldmfd sp!, {r0-r12, lr}

  5. 解决栈对齐问题：
    编译时可能出现错误：

    Error: L6238E: 无效的调用，因栈对齐问题

    解决方案：添加栈对齐伪指令

        preserve8 用于确保函数调用时栈指针保持 8 字节对齐

preserve8  ; 确保栈指针保持8字节对齐

  1. 工程配置注意事项：

    • 魔术棒 -> Debug -> Use Simulator，取消 "Run to main"
    • 魔术棒 -> Linker -> 勾选 "Use Memory Layout from Target Dialog"
    • 魔术棒 -> Target -> ROM1：Start=0x0，Size=0x2000
    • 若启动代码冲突：重建工程、删除.sct 文件、重新添加 start.s 和 main.c

  • -------------向c函数传参

向c函数传参的方法很简单，如果参数个数小于等于4个，就直接用r0~r3传参，

c函数返回值通过r0寄存器返回：

设有c函数：

int add_c(int a, int b, int c, int d)

{

return a + b + c + d;

}

如果参数个数大于4个，从第五个参数开始就需要通过栈来传参（从右向左入栈，即最后一个参数先入栈）

在c语言中  ---- 调用汇编编写的函数------  类似，

不过在汇编中用export声明函数，同时需要在c语言中

用extern声明函数，按照标准，调用者负责保护现场和恢复现场

传参方法于此类似

3.2 C 语言中调用汇编函数

步骤详解：

  1. 汇编中导出函数：        export func1;

    ; 汇编函数实现
func1:add r0, r0, r1  ; r0 = a + b（r0、r1为参数）bx lr           ; 返回结果（通过r0传递）export func1  ; 导出函数，供C调用

  2. C 中声明并调用汇编函数：   extern int func1(int a, int b);

    // 声明汇编函数
extern int func1(int a, int b);int main() {int result = func1(3, 5);  // 调用汇编函数return 0;
}

参数与返回值约定：

  • 参数传递：r0-r3 依次传递第 1-4 个参数，超过 4 个的参数通过栈传递
  • 返回值：通过 r0 寄存器返回（32 位），64 位返回值用 r0-r1

运行结果：

四、ARM 工作模式切换

  1. 切换arm内核的工作模式

切换工作方式的思路很简单，由于内核的工作模式是由cpsr寄存器的低5位来设置的，

那么就可以先把cpsr读出来，

更改低5位之后再设置进去。

这里读取cpsr使用        mrs指令，

写cpsr寄存器用        msr指令，

需要注意的是在keil环境下写cpsr需要写成：   msr cpsr_c r0；   将r0的值写入到cpsr寄存器

ARM 处理器有 7 种工作模式，通过 CPSR（当前程序状态寄存器）的 M 域（bit [4:0]）控制：

模式M 域值说明
用户模式 (usr)0x10正常程序执行模式
快中断模式 (fiq)0x11快速中断处理
中断模式 (irq)0x12普通中断处理
管理模式 (svc)0x13系统复位和 SWI 指令进入

MRS (read): MRS<c> <Rd>, <spec_reg>


MSR (writ): MSR<c> <spec_reg>, #<const>
MSR<c> <spec_reg>, <Rn>

模式切换代码示例

; 切换到管理模式(svc)
mrs r0, cpsr        ; 读取CPSR到r0
bic r0, r0, #0x1F   ; 清除M域（bit[4:0]）
orr r0, r0, #0x13   ; 设置M域为管理模式(0x13)
msr cpsr, r0        ; 将修改后的值写回CPSR
  • mrs：读取特殊寄存器（move to register from special register）
  • msr：写入特殊寄存器（move to special register from register）
  • bic：位清除指令（bit clear）
  • orr：位或指令（bit or）

五、异常向量表与软中断

异常向量表是 ARM 处理异常的核心机制，在内存起始地址（0x00000000）处预留 8 个异常入口，每个入口 4 字节：

地址异常类型说明
0x00复位 (Reset)系统上电或复位
0x04未定义指令执行未定义指令时
0x08软件中断 (SWI)执行 swi 指令时
0x0C指令预取中止指令读取错误
0x10数据中止数据访问错误
0x14保留未使用
0x18irq 中断外部中断请求
0x1Cfiq 中断快速中断请求

软中断 (SWI) 的使用

软中断用于用户模式下调用系统服务，通过指令swi #立即数触发：

; 软中断示例mov r0, #100    ; 设置参数swi #7          ; 触发软中断，#7为功能号; 中断返回后继续执行

软中断处理流程：

  1. 处理器自动切换到管理模式
  2. 保存当前 PC 到管理模式的 LR（lr_svc）
  3. 自动跳转到 0x08 处执行异常处理程序
  4. 处理完成后通过movs pc, lr返回

六、异常向量表启动代码

1、arm汇编调用c语言函数以及c语言函数调用汇编编写的函数，函数的参数和返回值如何处理？

       1. 汇编调用c语言：需在.s中用import声明函数名--导入，之后用bl指令调用该函数。

传参：如果参数个数小于等于4个，就用r0~r3传参，如果大于四个，从第五个参数开始就要通过栈来传参

返回值：通过r0寄存器返回

        2 .c语言调用汇编：需在.s中用export声明函数--导出，函数结束用bx  lr回到调用处，同时在c语言中用extern声明函数

传参：汇编函数从 r0~r3 读取前 4 个参数，超过 4 个的参数从栈中读取（栈顶为第 5 个参数）。

返回值：通过r0寄存器返回给c语言函数

2、arm内核中有几种异常，分别是什么，会使内核切换到那种工作模式？

ARM 内核定义了7 种异常，当异常发生时，处理器会自动切换到对应的特权工作模式，并跳转到向量表中对应异常的固定地址，再通过该地址指向的指令（如 B 或 LDR PC,=handler）跳转到具体的异常处理逻辑。具体如下：

异常类型触发原因对应工作模式异常向量表地址
复位（Reset）系统上电、复位引脚触发或 watchdog 超时管理模式（Supervisor）0x00000000
未定义指令（Undefined Instruction）执行未被 ARM 架构定义的指令未定义模式（Undefined）0x00000004
软件中断（SWI/SVC）触发swi时，执行 svc 指令时（主动请求系统服务）管理模式（Supervisor）0x00000008
指令预取中止（Prefetch Abort）指令读取时地址无效（如未映射内存）中止模式（Abort）0x0000000C
数据中止（Data Abort）数据访问时地址无效或权限不足中止模式（Abort）0x00000010
保留（Reserved）未使用（ARM 架构预留）无（未定义）0x00000014
IRQ（中断请求）外部设备触发的普通中断（如 UART、定时器）IRQ 模式（IRQ）0x00000018
FIQ（快速中断请求）高优先级外部中断（如紧急硬件错误）FIQ 模式（FIQ）0x0000001C


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