嵌入式 - ARM（3）从基础调用到 C / 汇编互调

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r0
    mov r1, #2    ; 初始化r1
    add r3, r0, r1 ; 计算r3 = r0 + r1
    bx lr         ; 函数返回，跳回LR指向的地址

main:            ; 主函数
    mov r0, #100  ; 初始化r0
    mov r1, #200  ; 初始化r1
    bl func       ; 调用func，自动将下条指令地址存入LR
    mov 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：

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, #10
    mov r1, #20
    cmp r0, r1    ; 比较r0和r1
    movge r2, r0  ; 若r0 >= r1，r2 = r0
    movlt r2, r1  ; 若r0 < r1，r2 = r1
    bx lr         ; 返回

func0:           ; 一级函数
    mov r0, #1
    mov r1, #2
    add r3, r0, r1 ; 计算r3 = 3
    stmfd sp!, {r0-r12, lr}  ; 保护现场
    bl func1     ; 调用func1
    ldmfd 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, #100
    mov r1, #200
    stmfd sp!, {r0-r12, lr}  ; 保护主函数现场
    bl func0     ; 调用func0
    ldmfd sp!, {r0-r12, lr}  ; 恢复主函数现场
    mov r3, #300

finish:
    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：

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：

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