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嵌入式第四十九天(ARM汇编指令)

news 2025/9/10 10:11:01

ＡＲＭ公司定义了６种主要的指令集体系结构版本。Ｖ１－Ｖ６。（所以上面提到的ＡＲＭｖ６是指指令集版本号）。即：ARM architecture

ＡＲＭｖ１：

该版本的原型机是ARM1，没有用于商业产品。

ＡＲＭｖ２：

对V1版进行了扩展，包含了对32位结果的乘法指令和协处理器指令的支持。

ＡＲＭｖ３：

ARM公司第一个微处理器ARM6核心是版本3的，它作为IP核、独立的处理器、具有片上高速缓存、MMU和写缓冲的集成CPU。

ＡＲＭｖ４：

当前应用最广泛的ARM指令集版本。

ARM7TDMI、ARM720T、ARM9TDMI、ARM940T、ARM920T、Intel的StrongARM等是基于ARMv4T版本。

ARMv5:

ARM9E-S、ARM966E-S、ARM1020E、ARM 1022E以及XScale是ARMv5TE的。

ARM9EJ-S、ARM926EJ-S、ARM7EJ-S、ARM1026EJ-S是基于ARMv5EJ的。

ARM10也采用。

其中后缀意义如下：

E：增强型DSP指令集。包括全部算法和16位乘法操作。

J：支持新的Java。

ARMv6:

采用ARMv6核的处理器是ARM11系列。

ARM1136J(F)-S基于ARMv6主要特性有SIMD、Thumb、Jazelle、DBX、(VFP)、MMU。

ARM1156T2(F)-S基于ARMv6T2 主要特性有SIMD、Thumb-2、(VFP)、MPU。

ARM1176JZ(F)-S基于ARMv6KZ 在 ARM1136EJ(F)-S 基础上增加MMU、TrustZone。

ARM11 MPCore基于ARMv6K 在ARM1136EJ(F)-S基础上可以包括1-4 核SMP、MMU。

ARMv7-A：

ARM处理器核：

ARM公司开发了很多ARM处理器核，最新版位ARM11。 Cortex A7等。

mov指令：加载12位立即数到寄存器或转移一个寄存器的值到另外一个寄存器

mov r0, #2 ;加载立即数2到寄存器r0，MOV{S}<c> <Rd>, #<const>

mov r1, r0 ;将r0寄存器的值加载到r1，MOV{S}<c> <Rd>, <Rm>

1. 大多数指令的格式为opcode rd, rn ，rm,其中，rd是目标寄存器，rn是第一操作数寄存器。同理：
add指令常用的两种方式

ADD{S}<c> <Rd>, <Rn>, #<const>

ADDS}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>{, <shift>}

类似的还有

sub指令

SUB{S}<c> <Rd>, <Rn>, #<const>

SUB{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>{, <shift>}

以上四条指令都有立即数作为第二操作数的情况，那么是什么立即数呢？准确的说这里所指的是12位立即数imm12。先说怎么判断某数是不是12位立即数，12位立即数的条件是：

如果某个数的数值范围是0~0xFF之间，那么这个数一定是立即数；
把某个数展开成2进制，这个数的最高位1至最低位1之间的二进制数序列的位数不能超过8位；
这个数的二进制序列凑够8位之后的的右边必须为偶数个连续的 0

例如：0x234 = 0000 0000 0000 0000 0000 0010 0011 0100

最高位1至最低位1之间的二进制数序列：1000 1101没有超过8位

末尾1的右边有2个0，所以0x234是立即数

0x3f4 = 0000 0000 0000 0000 0000 0011 1111 0100

最高位1至最低位1之间的二进制数序列：1111 1101 从第一个1开始到最后一个1之间没有超过8位

末尾1的右边有2个0，所以0x3f4是立即数

0x132 = 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0011 0010

最高位1至最低位1之间的二进制数序列：1001 1001 从第一个1开始到最后一个1之间没有超过8位

末尾1的右边有1个0，不满足第二条，所以0x132不是立即数

0x7f8 = 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1111 1000

最高位1至最低位1之间的二进制数序列：1111 1111从第一个1开始到最后一个1之间没有超过8位

末尾1的右边有3个0，不满足第二条，所以0x7f8不是立即数

0xfab4 = 0000 0000 0000 0000 1111 1010 1011 0100

最高位1至最低位1之间的二进制数序列：0011 1110 1010 1101 从第一个1开始到最后一个1之间超过8位，不满足条件1，所以这个数不是立即数

这是因为ARM中将这 12bits 分为 8bit 常数（0~255）和 4bit 循环右移位值（0~15）

8bit 常数范围（0～255），位移的步进值是以2为单位（即实际位移 2 * rotate 位），可以表示循环有以（0～30）偶数位： 0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30。在实际存储这个数值的时候，要想办法把这个数压缩到这12位中去。压缩的方法就是找一个数，这个数必须是一个8bit数，之后循环右移2 * rotate位。如果能找打这个数，那么待保存的数就是立即数，否则就不是。

那么如果我们就是希望把一个非立即数存进rn,又该怎么做呢？

ldr寄存器加载指令：

LDR{<c>}{<q>} <Rt>, <label> ;如ldr r0, =0x2FAB4

ldr指令多用于从ram中将一个32位的字数据传送到目的寄存器中

LDR<c> <Rt>, [<Rn>{, #+/-<imm12>}] 如：

LDR R0，[R1，＃4] ；将内存地址为R1+4的字数据读入寄存器R0，这里的#8作为12位立即数是可以省略的

LDR<c> <Rt>, [<Rn>], #+/-<imm12> 如：

ldr r0, [r1], #8 ;将内存地址R1的字数据读入r0,之后r1+8

LDR<c> <Rt>, [<Rn>, #+/-<imm12>]! 如：

LDR R0，[R1，＃8] ！；将存储器地址为R1+8的字数据读入寄存器R0，并将新地址R1＋8写入R1。

bic指定位清零指令：

BIC{S}<c> <Rd>, <Rn>, #<const>；将rn中的字数据const为1的比特清零，把结果放入rd

orr指定位置位指令：

ORR{S}<c> <Rd>, <Rn>, #<const>

汇编指令的s后缀，几乎所有的汇编指令都可以在指令后面加上s后缀，s后缀的含义是在指令执行过程中会更新cpsr寄存器的N,V,C,Z位

N：在结果是有符号的二进制补码情况下，如果结果为负数，则N=1；如果结果为非负数，则N=0

Z：如果结果为0，则Z=1;如果结果为非零，否则Z=0

C：是针对无符号数最高有效位向更高位进位时C=1；减法中运算结果的最高有效位从更高位借位时C=0

V：该位是针对有符号数的操作，会在下面两种情形变为1，两个最高有效位均为0的数相加，得到的结果最高有效位为1；两个最高有效位均为1的数相加，得到的结果最高有效位为0；除了这两种情况以外V位为0

例如：

mov r0, #0xFFFFFFFF

adds r1, r0, #1

上面的操作会导致Z，C置位，这是因为结果为0，并且从无符号数角度来看，已经从最高位向更高位进位了

而

mov r0. #0x7FFFFFFF

adds r1, r0, #1

会造成N位和C位置位，这是因为计算结果0x80000000最为位为1，代表负数，并且从有符号角度来看，把一个整数加成了负数。

更新N,V,C,Z位有什么用呢？几乎所有的arm指令都可以在指令之后可选地增加执行条件

例如：movcs r0, #100;表示只有在C位置位的情况下才能把100加载入r0，这样的话就可以非常方便地实现指令的有条件执行。

例如：实现两个unsigned long long类型变量的求和，

unsigned long long l1 = 0x00000000FFFFFFFF;

unsigned long long l2 = 0x000000000000003;

很明显结果为0x0000000100000002

我们用r0装l1的高4字节，r1装l1的低四字节：

用r2装l2的高4字节，r3装l2的低四字节

用r4装结果的高4字节，r5装结果的低四字节

第6~7行：装入被加数

第8~9行：装入加数

第10~11行：清空装结果的变量

第12行：先加低四字节，这里因为考虑到进位问题，所以要更新N,V,C,Z位

第13行：之前的进位导致更高位数据的丢失，必须把这一位补回来，要不要补就看之前时候进位，进位标志是cs

练习：从r0, r1代表的两个有符号数中找到较大值放入r2寄存器

CMP比较指令用于比较两个寄存器的值或者比较一个寄存器和立即数的值，其原理是对待比较的两个数求差，看结果是否为0，这个指令会无条件修改N,V,C,Z位。

如：

mov r0, #100

cmp r0, #100

会导致Z置位，从条件码表可知，只要Z置位就是两数相等。

跳转指令b

b指令类似c语言的goto语句，能够实现无条件跳转。跳转时需要一个lable，表示要跳转到什么地方去

配合之前的条件码，就可以实现一些较为复杂的操作，例如实现从0加到100的和

这就是循环实现的机制

事实上，程序跳转工作更多的是为了实现类似函数的功能，此时lable就是函数的函数名，其实lable本身代表的就是待跳转那一行指令的地址，b指令本质上就是把待跳转那行的地址装入pc寄存器，但是函数在调用完毕之后要回到调用处的下一行指令处执行，为了能够回到调用的下一行，需要使用bl指令。bl和b之间的区别就在于bl会在lr寄存器中保存回来的地址。如：

以上代码虽然实现了函数调用的程序流程，但是还存在两个问题：一是调用完毕以后r0, r1寄存器的值被max_of_two_numbers函数修改了，二是如果出现了函数的嵌套调用，那么lr寄存器的值就会被修改，而无法回到最开始的地方。要解决这个问题，就必须在每次函数调用前保护现场，在函数调用完毕以后恢复现场。而实现这个功能就需要使用栈这个数据结构。

栈的实现类型：

2440实现保护和恢复现场使用的栈是数组栈，即用一段连续的内存空间为栈提供空间。从数组栈的具体实现来看入栈的方式有四种做法：

空增：先写入数据，再让栈指针自增；
空减：先写入数据，再让栈指针自减；
满增：先让栈指针自增，再写入数据；
满减：先让栈指针自减，再写入数据。

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

入栈保护指令stmfd(STMDB)

STMFD<c> <Rn>{!}, <registers>

其中Rn表示栈底指针寄存器，< registers >表示需要入栈保护的寄存器，!表示入栈之后sp自动自减。如：

stmfd sp!, {r0, r1, r2, r3-r12, lr}

出栈恢复指令ldmfd(LDM/LDMIA/)

LDMFD<c> <Rn>{!}, <registers>

中Rn表示栈底指针寄存器，< registers >表示需要入栈保护的寄存器，!表示出栈之后sp自动自增。如：

ldmfd sp!, {r0, r1, r2, r3-r12, lr}

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

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

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

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

学习了这些指令，最终就可以编写我们自己的启动代码了

preserve8area reset, code, readonlycode32entryb startnopnopnopnopnopb do_interruptnopstartldr sp, =0x40001000mrs r0, cpsrbic r0, r0, #0x1Forr r0, r0, #0x12bic r0, r0, #(0x01 << 7)msr cpsr_c, r0ldr sp, =0x40001000sub sp, sp, #1024mrs r0, cpsrbic r0, r0, #0x1Forr r0, r0, #0x10msr cpsr_c, r0ldr sp, =0x40001000sub sp, sp, #2048import mainb maindo_interrputsub lr, lr, #4stmfd sp!, {r0-r12, lr}import interrupt_handlebl interrupt_handleldmfd sp!, {r0-r12, pc}^end