嵌入式ARM架构学习2——汇编

一、处理器工作模式
ARM有7个基本工作模式：

• User：非特权模式，大部分任务执行在这种模式
• FIQ：当一个高优先级（fast)中断产生时将会进入这种模式
• IRQ：当一个低优先级（normal)中断产生时将会进入这种模式
• Supervisor：当复位或软中断指令执行时将会进入这种模式
• Abort：当存取异常时将会进入这种模式
• Undef：当执行未定义指令时会进入这种模式
• System：便用和User模式相同寄存器集的特权模式

Cortex-A特有模式：

• Monitor：是为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式；

也是一种特权模式

Part1

学习arm汇编的主要目的是为了编写arm启动代码，启动代码启动以后，引导程序到c语言环境下运行。换句话说启动代码的目的是为了在处理器复位以后搭建c语言最基本的需求。因此启动代码的主要任务有：
    1、初始化异常向量表；
    2、初始化各工作模式的栈指针寄存器；
    3、开启arm内核中断允许；
    4、将工作模式设置为user模式；
    5、完成上述工作后，引导程序进入c语言主函数执行；
    因此汇编指令的学习主要是围绕这几个目的展开，主要学习跟上述目的相关的指令。
    
1.格式
    伪操作：它们不是 ARM 处理器实际的指令（如 MOV, ADD 等），而是写给汇编器看的命令，用于指导汇编器如何工作
    area reset, code, readonly
    code32
    entry
    end    
    area: 这是最重要的一个伪操作，用于定义一个段。程序、数据、堆栈等都需要被组织在不同的段中。
    reset: 这是你为这个段起的名字。名字 reset 具有很强的暗示性，通常用于表示复位向量段，即CPU上电或复位后首先执行的第一段代码所在的位置。
    code: 指定该段的属性为代码，意味着这个段包含可执行的指令。
    readonly: 指定该段的属性为只读。对于代码段来说，这通常是默认且必须的。

    code32: 表示后续指令使用 32位的 ARM 指令集。
    thumb: 表示后续指令使用 16位的 Thumb 指令集。
2.指令    
    1.mov
        MOV{S}<c> <Rd>, #<const>
        MOV{S}<c> <Rd>, <Rm>

        MOV instruction                Canonical form
        MOV{S} <Rd>, <Rm>, ASR #<n> ASR{S} <Rd>, <Rm>, #<n>
        MOV{S} <Rd>, <Rm>, LSL #<n> LSL{S} <Rd>, <Rm>, #<n>
        MOV{S} <Rd>, <Rm>, LSR #<n> LSR{S} <Rd>, <Rm>, #<n>
        MOV{S} <Rd>, <Rm>, ROR #<n> ROR{S} <Rd>, <Rm>, #<n>
        MOV{S} <Rd>, <Rm>, ASR <Rs> ASR{S} <Rd>, <Rm>, <Rs>
        MOV{S} <Rd>, <Rm>, LSL <Rs> LSL{S} <Rd>, <Rm>, <Rs>
        MOV{S} <Rd>, <Rm>, LSR <Rs> LSR{S} <Rd>, <Rm>, <Rs>
        MOV{S} <Rd>, <Rm>, ROR <Rs> ROR{S} <Rd>, <Rm>, <Rs>
        MOV{S} <Rd>, <Rm>, RRX         RRX{S} <Rd>, <Rm>
        注意    (1)与C语言中的赋值运算对比（左值/右值），利于加深理解
            (2)#<n>/<Rs> 取值范围 （0 - 31）
            (3)RRX{S}:扩展右移 （不需要移位量）
            (4)在计算机中只识别二进制数据，计算机没有有无符号，浮动点等概念；
            
        mov r0, #0x8
        mov r1, r0
        mov r3, #31

        mov r0 #1
        mov r6, r0, lsl #31
        mov r7, r0, lsl r3
        
    2.add(加法指令)
        立即数作为第二操作数：        ADD{S}<c> <Rd>, <Rn>, #<const>
        寄存器作为第二操作数寄存器：    ADD{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>{, <shift>}
        寄存器作为第二操作数移位量：    ADD{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>, <type> <Rs>
        
        mov r0, #0x0F
        mov r1, #0xF0
        mov r2, #1

        add r6, r0, #0xF0
        add r7, r0, r1
        add r7, r0, r1, lsl #1
        add r8, r0, r1, lsl r2
        注意    (1){, <shift>} 其中{}代表可选择，“,”表示在使用时需要在Rm后添加“,” shift 移位量（立即数）
            (2) add r0, #3, #2 :为什么没有这种形式，C语言int a = 1 + 2; 编译阶段计算， 不需要在机器指令中体现 
            
    3.sub(减法指令)
        立即数作为第二操作数：        SUB{S}<c> <Rd>, <Rn>, #<const>
        寄存器作为第二操作数寄存器：    SUB{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>{, <shift>}
        寄存器作为第二操作数移位量：    SUB{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>, <type> <Rs>
        
        mov r0, #0xFF
        mov r1, #0xF0
        mov r2, #1

        sub r6, r0, #0xF0
        sub r7, r0, r1
        sub r7, r0, r1, lsl #1
        sub r8, r0, r1, lsl r2

        以上指令都有立即数作为第二操作数的情况，那么什么是立即数呢？
            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：
        判断标准:把某个数展开成2进制，该数必须存在一种循环右移（偶数位），使得移位后高24位全0，低8位即为有效imm8；
        原因：
            0000 （rotate）0000 0000（imm8）
            N(0-15)        1000 0001
            2N（0-30）
    4.ldr(加载指令)
        LDR<c> <Rt>, <label>
    5.sdr(存放指令)

            
    6.MVN(按位取反移动指令)：
        MVN{S}<c> <Rd>, #<const>
        MVN{S}<c> <Rd>, <Rm>{, <shift>}
        MVN{S}<c> <Rd>, <Rm>, <type> <Rs>

    7.bic(bit clear):指定位置清0
        BIC{S}<c> <Rd>, <Rn>, #<const>
        BIC{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>{, <shift>}
        BIC{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>, <type> <Rs>
        
        mov r0, #0xFFFFFFFF
        mov r1, #1
        bic r2, r0, r1, lsl    #31
        bic r3, r0, #(1 << 31)
        
    8.orr(or):指定位置1
        ORR{S}<c> <Rd>, <Rn>, #<const>
        ORR{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>{, <shift>}
        ORR{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>, <type> <Rs>
        
        mov r0, #0x00
        mov r1, #1
        mov r2, #31
        orrs r6, r0, #0x80000000
        orrs r7, r0, #(1 << 31)
        orrs r8, r0, r1, lsl #31
        orrs r9, r0, r1, lsl r2
        
    9.条件判断标志NZCV
        CPSR寄存器中条件判断标志位
        N: 符号标志位:上条指令执行结果最高位bit31为1,则 N = 1, 当结果作为有符号解释时为负值；
        Z: 零值标志位:上条指令执行结果为0（即bit0 - bit31 均为0)，则 Z = 1；
        C: 进位标志位：进行无符号解读，如果在加法过程中进位或者减法时没有借位，则为 C = 1,否则 C = 0
        V: 溢出标志位：进行有符号解读，是否发生溢出 -2^31 - 2^31-1(两个正数加得负数，两个负数加得正数)
        条件码：eq ge gt le lt al(无条件执行)
        equal:等于
        not equal：不等于
        
    10.cmp(compare):比较指令
        CMP<c> <Rn>, #<const>
        CMP<c> <Rn>, <Rm>{, <shift>}
        CMP<c> <Rn>, <Rm>, <type> <Rs>
        
        cmp r0, r1 <==> subs r0, r1
        比较两个数中的最大值
        练习：比较获取三个数中最大值
        
    11.b bl bx :（跳转指令）
        B<c> <label>
        b fun <==> ldr pc, =fun
        
        BL<c> <label>
        bl fun
        
        BX<c> <Rm>
        bx lr <==> mov pc, lr

Part2

1.循环
    (1)循环三要素
        循环结束条件
        推动循环趋向终结的语句
        循环的循环体
    (2)do...while(C)
        int i = 0;
        int sum = 0；
        do{
            sum += i;
            i++;
        }while(i <= 100)
    
        mov r0, #0
        mov r1, #0
    loop
        add r1, r1, r0
        add r0, r0, #1
        cmp r0, #100
        ble loop

    (3)while(C) for()
        int i = 0;
        int sum = 0;
        while(i <= 100)
        {
            sum += i;
            i++;
        }
        
        int sum = 0；
        for(int i = 0; i <= 100; i++)
        {
        sum += i;
        }

        mov r0, #0
        mov r1, #0
    loop
        cmp r0, #100
        bgt finish
        add r1, r1, r0
        add r0, r0, #1
        b loop    
    finish
        b finish

2.函数定义及调用
    （1）返回值 函数名（形参列表）
        {//函数体
            代码块
        }
    （2）pc => lr and lr =>pc
    
            b main              
        func
            mov r0, #1
            mov r1, #2
            add r3, r0, r1
            bx lr

        main
            mov r0, #100
            mov r1, #200
            bl func
            mov r3, #300
    （3）保护现场/恢复现场（压栈/弹栈）
        问题1：函数被调修改主调寄存器，问题二：函数嵌套时，无法正确返回。
        (1)栈类型空增 空减 满增 满减(ARM 2440))画图讲解
            空栈： *sp = xxxx        满栈： sp++
                  sp++                        *sp = xxxx 
            增栈： sp += 4           减栈: sp -= 4
        (2)栈顶指针寄存器初始化
            mov sp, #0x40001000  : 报错非立即数    
            ldr sp,    =0x40001000
            魔术棒 -> Target->IRAM1：#0x40000000 size:0x1000
        （3）保护现场 ：stmfd (store(存储) multiple(多个) full(满) decrease(减少))
            STMDB<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自增
            <registers>：入栈出栈的寄存器列表
            
        （4）恢复现场 ：ldmfd (load(加载) multiple(多个) full(满) decrease(减少))
            LDMFD<c> <Rn>{!}, <registers>
            GNU体系 保护现场、恢复现场由主调完成
                b main    
            func1
                mov r0, #10
                mov r1, #20
                cmp r0, r1
                movge r2, r0
                movlt r2, r1
                bx lr
                    
            func0
                mov r0, #1
                mov r1, #2
                add r3, r0, r1
                stmfd sp!, {r0-r12, lr}
                bl func1
                ldmfd sp!, {r0-r12, pc}
                ;bx lr

            main
                ldr sp, =0x40001000
                mov r0, #100
                mov r1, #200
                stmfd sp!, {r0-r12, lr}
                bl func0
                ldmfd sp!, {r0-r12, lr}
                mov r3, #300

            finish
                b finish
                end    
        《《《《《《《《《《《《《《《《《《《《《《《休息》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》
        
        (4)在汇编中调用C语言函数
            (1) 创建main.c
            (2) 声明 extern void c_add(void);
            (3) 导入 import c_add； （keil当中要求）
            (4) 保护现场 bl函数调用 恢复现场
            (5) 解决编译报错：asm.axf: Error: L6238E: start.o(reset) contains invalid call from '~PRES8 (The user did not require code to preserve 8-byte aligment of 8-byte data objects)' function to 'REQ8 (Code was permitted to depend on the 8-byte aligment of 8-byte data items)' function c_add.
                asm.axf: Finished: 0 information, 0 warning and 1 error messages.
                解决办法：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
            (6) 创建工程自动添加了启动代码报错:
                (1)chong建覆盖工程
                (2)删除.sct文件
                (3)添加 start.s main.c 
                (4)重设软件配置
            (7) 魔术棒 -> Debug -> Use Simulator->Run to main(取消)
            (8) 魔术棒 -> Linker -> Use Memory Layout from Taget Dialog(勾选)
            (9) 魔术棒 -> Taget -> ROM1 -> Start： 0x0 Size：0x2000
            (10)函数传参：
                stmfd sp!, {r0-r12, lr}
                mov r0, #1
                mov r1, #2
                mov r2, #3
                mov r3, #4
                mov r4, #5
                stmfd sp!, {r4}
                bl c_add
                ldmfd sp!, {r4}
                ldmfd sp!, {r0-r12, lr}
        
        (5)在C语言中调用汇编    
            (1)导出 export func1;
            (2)声明 extern int func1(int a, int b);
        
        (6)修改工作模式
            CPSR M域修改
            MRS (read):    MRS<c> <Rd>, <spec_reg>
            MSR    (writ):    MSR<c> <spec_reg>, #<const>
                        MSR<c> <spec_reg>, <Rn>
            mrs r0, cpsr
            bic r0, r0, #(0x1FF << 0)
            orr r0, r0, #(0x10 << 0)
            mrs cpsr, r0
        （7）异常向量表    
            软中断异常：swi #7
        

10、ARM 内核工作模式有哪些，分别是在什么情况下被切换？（同4）

ARM内核（主要指ARMv4-v7架构的经典A/R系列）通常有7种工作模式，主要用于处理异常和提供系统保护。模式的切换主要由硬件自动完成或通过软件指令触发。

Cortex-A特有模式: 8.Monitor：是为了安全而扩展出的用于执行安全监控代码的模式:也是一种特权模式

9.HYP：测试

总结：除了用户模式和系统模式，其他5种模式都与特定的异常一一对应。发生异常时，硬件自动切换模式；处理完异常后，通过特定的指令恢复回之前的模式。

11、异常向量表是什么？（同5）

异常向量表是内存中一块固定的、连续的区域，其中存放着各种异常处理程序的入口地址（或跳转到处理程序的指令）。

• 工作原理：当异常发生时，ARM处理器会自动地、硬连线地根据异常类型，跳转到表中一个固定的偏移地址上。例如，发生复位异常，就跳转到0x00000000；发生IRQ中断，就跳转到0x00000018。

• 核心作用：它是连接硬件异常和软件处理程序的桥梁。硬件通过固定机制自动定位处理程序，确保了异常响应的实时性和确定性。

• 典型布局（地址偏移量）：

  • 0x00: 复位 (Reset)

  • 0x04: 未定义指令 (Undefined Instruction)

  • 0x08: 软件中断 (SWI/SVC)

  • 0x0C: 预取指中止 (Prefetch Abort)

  • 0x10: 数据中止 (Data Abort)

  • 0x14: 保留 (Reserved)

  • 0x18: IRQ

  • 0x1C: FIQ

12、什么是立即数？如何判断某数是非法是12位立即数？

• 立即数：是指在指令编码本身中直接包含的操作数。执行时可以直接使用，无需从寄存器或内存中额外读取。

  • 例如：在指令 MOV R0, #0xFF 中，0xFF 就是一个立即数。

• 判断12位立即数是否合法：ARM指令中的立即数并非完整的32位，而是由一个12位的编码字段（4位旋转值 + 8位立即数） 来表示。一个32位的常数是合法的12位立即数，当且仅当它可以通过以下方式生成：

  一个8位的数值（范围0-255），循环右移偶数位（0, 2, 4, ..., 30）后得到的32位常数。

  判断方法：您可以想象这个数能否被一个“字节+移位”的组合所表示。常见的非法立即数有：

  • 过大的数（如 0x12345678）

  • 所有位模式中若出现连续 1 或连续 0 的“块”长度 > 8 位，基本就编不进去，（如 0x00000FFF 是合法的，因为它就是255循环右移0位；而 0x000001FF 很可能是非法的）

13、b, bl, bx 指令的区别是什么？

这三种都是分支（跳转）指令，但用途不同。

简单总结：

• b：跳而不返（用于goto，循环）。

• bl：跳而必返（用于调用函数）。

• bx：跳并可换（用于状态切换和间接跳转）。

14、ARM内核采用的栈是哪种栈？

• 硬件设计：ARM内核的压栈（PUSH）操作硬件上只支持向低地址增长（递减）。

• 栈指针特性：ARM的栈指针SP（r13）指向的是栈顶最后一个被压入的有效数据（满栈）。

因此，ARM内核采用的栈是 满递减栈 (Full Descending Stack, FD)。

• 满 (Full)：SP指向栈顶最后一个有效数据。

• 递减 (Descending)：栈向内存低地址方向生长。压栈时SP减小，弹栈时SP增大。

补充：四种栈类型理论模型

栈的增长方向和栈指针（SP）的位置共同定义了栈的类型，共有四种组合：