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ARM 汇编基础

news 来源：原创 2025/5/17 8:35:55

ARM 汇编是嵌入式开发、操作系统底层编程和性能优化的核心技能之一。以下是一份系统的 ARM 汇编指令教学指南，涵盖基础语法、核心指令、编程模式和实用示例。

1. ARM 汇编基础

1.1 寄存器
ARM 架构（32位）包含 16 个通用寄存器（R0-R15），其中部分有特殊用途：

R0-R12：通用寄存器，用于存储数据和地址。
R13 (SP)：栈指针（Stack Pointer），指向当前栈顶。
R14 (LR)：链接寄存器（Link Register），保存函数返回地址。
R15 (PC)：程序计数器（Program Counter），指向下一条要执行的指令。
CPSR：当前程序状态寄存器（Condition Program Status Register），存储条件标志（如 Z、N、C、V）。

2. ARM 汇编指令格式

ARM 指令通常遵循以下格式：

<操作码>{条件码}{S} <目标寄存器>, <操作数1>, <操作数2>
条件码（可选）：如 EQ（相等）、NE（不等）、GT（大于）。
S（可选）：更新 CPSR 标志（如 ADDS 会更新 Z/N/C/V 标志）。
操作数：可以是寄存器、立即数或内存地址。

3. 核心指令分类

3.1 数据传输指令
MOV：将数据从一个寄存器或立即数复制到另一个寄存器。

MOV R0, #42       ; R0 = 42
MOV R1, R0        ; R1 = R0

LDR/STR：从内存加载数据到寄存器（Load）或从寄存器存储到内存（Store）。

LDR R0, [R1]      ; R0 = 内存地址[R1]处的值
STR R2, [R3, #4]  ; 将 R2 的值存储到内存地址 R3 + 4

3.2 算术运算
ADD/SUB：加法和减法。

ADD R0, R1, R2    ; R0 = R1 + R2
SUB R3, R3, #1    ; R3 = R3 - 1

MUL/MLA：乘法和乘加。

MUL R0, R1, R2    ; R0 = R1 * R2
MLA R0, R1, R2, R3 ; R0 = R1 * R2 + R3

3.3 逻辑运算
AND/ORR/EOR/BIC：按位与、或、异或、位清除。

AND R0, R1, #0xFF ; R0 = R1 & 0xFF（取低8位）
BIC R0, R1, #0x3  ; R0 = R1 & ~0x3（清除最低2位）

3.4 比较与分支
CMP：比较两个操作数并更新 CPSR。

CMP R0, R1        ; 计算 R0 - R1，更新标志位

B/BL：无条件跳转（Branch）或带链接的跳转（Branch with Link，用于函数调用）。

B   loop          ; 跳转到标签 loop
BL  my_function   ; 调用函数 my_function，返回地址存入 LR

3.5 栈操作
PUSH/POP：压栈和弹栈操作（需指定寄存器列表）。

PUSH {R0, R1, LR} ; 将 R0, R1, LR 压入栈
POP  {R0, R1, PC} ; 从栈中恢复 R0, R1，并将返回地址写入 PC（函数返回）

4. 寻址模式

4.1 立即数寻址
使用 # 前缀表示立即数：

MOV R0, #0x100    ; R0 = 0x100

注意：ARM 立即数需满足特定规则（如 8 位有效位 + 移位）。
4.2 寄存器间接寻址
通过寄存器中的地址访问内存：

LDR R0, [R1]      ; R0 = 内存地址[R1]处的值
STR R2, [R3, #4]  ; 存储到地址 R3 + 4

4.3 基址变址寻址
支持偏移、前变址和后变址：

LDR R0, [R1, #8]! ; 前变址：R1 = R1 + 8，然后 R0 = [R1]
LDR R0, [R1], #8  ; 后变址：R0 = [R1]，然后 R1 = R1 + 8

5. 控制结构

5.1 条件分支
根据 CPSR 标志跳转：

CMP R0, #10        ; 比较 R0 和 10
BGT greater_than    ; 若 R0 > 10，跳转到 greater_than

5.2 循环
使用条件分支实现循环：

MOV R0, #0         ; 初始化计数器
loop:
  ADD R0, R0, #1   ; 计数器加1
  CMP R0, #5
  BLT loop         ; 若 R0 < 5，继续循环

6. 函数调用

遵循 AAPCS（ARM Architecture Procedure Call Standard）规范：

参数传递：前 4 个参数通过 R0-R3 传递，后续参数通过栈传递。
返回值：通过 R0 返回。
保存寄存器：被调用函数需保护 R4-R11、SP、LR 等寄存器。
示例：函数调用

.global main
main:
  MOV R0, #5       ; 参数 n = 5
  BL  factorial    ; 调用 factorial 函数
  BX  LR           ; 返回

factorial:
  PUSH {R4, LR}    ; 保存寄存器
  MOV R4, R0       ; 保存参数到 R4
  CMP R4, #1
  MOVEQ R0, #1     ; 若 n == 1，返回 1
  POPEQ {R4, PC}   ; 恢复寄存器并返回

  SUB R0, R4, #1   ; 计算 n-1
  BL  factorial    ; 递归调用 factorial(n-1)
  MUL R0, R4, R0   ; R0 = n * factorial(n-1)
  POP {R4, PC}     ; 恢复寄存器并返回

7. 常见问题与调试

7.1 立即数限制
如果立即数过大，需分步加载或使用 LDR 伪指令：

LDR R0, =0x12345678 ; 加载任意32位立即数（编译器自动处理）

7.2 条件执行
几乎所有 ARM 指令都可条件执行：

ADDEQ R0, R1, R2    ; 仅在 Z 标志置位时执行加法

7.3 调试工具
GDB：使用 arm-none-eabi-gdb 调试汇编代码。
QEMU：模拟 ARM 硬件环境。
Keil/STM32CubeIDE：针对嵌入式硬件的集成调试环境。

8. 完整示例：计算阶乘

.global main
main:
  MOV R0, #5       ; 计算 5!
  BL  factorial
  B   exit

factorial:
  CMP R0, #1       ; 基准条件：n == 1
  MOVEQ PC, LR     ; 若满足，直接返回
  PUSH {R0, LR}    ; 保存当前 n 和返回地址
  SUB R0, R0, #1   ; n = n - 1
  BL  factorial    ; 递归调用 factorial(n-1)
  POP {R1, LR}     ; 恢复原 n 到 R1 和返回地址
  MUL R0, R1, R0   ; R0 = n * factorial(n-1)
  BX  LR           ; 返回

exit:
  ; 此处可添加退出代码