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[嵌入式]ARM汇编语法

ARM 汇编,编译使用的 GCC 交叉编译器,所以我们的汇编代码要符合 GNU 语法。GNU 汇编语法适用于所有的架构,并不是 ARM 独享的,GNU 汇编由一系列的语句组成,每行一条语句,每条语句有三个可选部分,如下:
label:instruction @ comment
label 即标号,表示地址位置,有些指令前面可能会有标号,这样就可以通过这个标号得到指令的地址,标号也可以用来表示数据地址。注意 label 后面的“:”,任何以“:”结尾的标识符都会被识别为一个标号。instruction 即指令,也就是汇编指令或伪指令。@符号,表示后面的是注释,就跟 C 语言里面的“/*”和“*/”一样,其实在 GNU 汇编文件中我们也可以使用“/*”和“*/”来注释。comment 就是注释内容。比如如下代码:
add:
MOVS R0, #0X12 @设置 R0=0X12
上面代码中“add:”就是标号,“MOVS R0,#0X12”就是指令,最后的“@设置 R0=0X12”就是注释。注意!ARM 中的指令、伪指令、伪操作、寄存器名等可以全部使用大写,也可以全部使用小写,但是不能大小写混用。
用户可以使用.section 伪操作来定义一个段,汇编系统预定义了一些段名:
.text 表示代码段。
.data 初始化的数据段。
.bss 未初始化的数据段。
.rodata 只读数据段。
我们当然可以自己使用.section 来定义一个段,每个段以段名开始,以下一段名或者文件结
尾结束,比如:
.section .testsection @定义一个 testsetcion 段
汇编程序的默认入口标号是_start,不过我们也可以在链接脚本中使用 ENTRY 来指明其它
的入口点,下面的代码就是使用_start 作为入口标号:
.global _start
_start:
ldr r0, =0x12
@r0=0x12
上面代码中.global
是伪操作,表示_start 是一个全局标号,类似 C 语言里面的全局变量一
样,常见的伪操作有:
.byte
定义单字节数据,比如.byte 0x12。
.short
定义双字节数据,比如.short 0x1234。
.long
定义一个 4 字节数据,比如.long 0x12345678。
.equ
赋值语句,格式为:.equ 变量名,表达式,比如.equ num, 0x12,表示 num=0x12。
.align
数据字节对齐,比如:.align 4 表示 4 字节对齐。
.end
表示源文件结束。
.global
定义一个全局符号,格式为:.global symbol,比如:.global _start。
GNU 汇编同样也支持函数,函数格式如下:
函数名:
函数体
返回语句
GNU 汇编函数返回语句不是必须的,如下代码就是用汇编写的 Cortex-A7 中断服务函数:
示例代码 7.1.1.1 汇编函数定义
/* 未定义中断 */
Undefined_Handler:
ldr r0, =Undefined_Handler
bx r0
/* SVC 中断 */
SVC_Handler:
ldr r0, =SVC_Handler
bx r0
/* 预取终止中断 */
PrefAbort_Handler:
ldr r0, =PrefAbort_Handler
bx r0
上述代码中定义了三个汇编函数:Undefined_Handler、SVC_Handler 和
PrefAbort_Handler。以函数 Undefined_Handler 为例我们来看一下汇编函数组成,
“Undefined_Handler”就是函数名,“ldr r0, =Undefined_Handler”是函数体,“bx r0”是函数
返回语句,“bx”指令是返回指令,函数返回语句不是必须的。
处理器内部数据传输指令
使用处理器做的最多事情就是在处理器内部来回的传递数据,常见的操作有:
①、将数据从一个寄存器传递到另外一个寄存器。
②、将数据从一个寄存器传递到特殊寄存器,如 CPSR 和 SPSR 寄存器。
③、将立即数传递到寄存器。
数据传输常用的指令有三个:MOV、MRS 和 MSR,这三个指令的用法如表所示:

分别来详细的介绍一下如何使用这三个指令:
1、MOV 指令
MOV 指令用于将数据从一个寄存器拷贝到另外一个寄存器,或者将一个立即数传递到寄
存器里面,使用示例如下:
MOV R0,R1 @将寄存器 R1 中的数据传递给 R0,即 R0=R1
MOV R0, #0X12 @将立即数 0X12 传递给 R0 寄存器,即 R0=0X12
2、MRS 指令
MRS 指令用于将特殊寄存器(如 CPSR 和 SPSR)中的数据传递给通用寄存器,要读取特殊
寄存器的数据只能使用 MRS 指令!使用示例如下:
MRS R0, CPSR @将特殊寄存器 CPSR 里面的数据传递给 R0,即 R0=CPSR
3、MSR 指令
MSR 指令和 MRS 刚好相反,MSR 指令用来将普通寄存器的数据传递给特殊寄存器,也就
是写特殊寄存器,写特殊寄存器只能使用 MSR,使用示例如下:
MSR CPSR, R0 @将 R0 中的数据复制到 CPSR 中,即 CPSR=R0

存储器访问指令
ARM 不能直接访问存储器,比如 RAM 中的数据,I.MX6UL 中的寄存器就是 RAM 类型
的,我们用汇编来配置 I.MX6UL 寄存器的时候需要借助存储器访问指令,一般先将要配置的值
写入到 Rx(x=0~12)寄存器中,然后借助存储器访问指令将 Rx 中的数据写入到 I.MX6UL 寄存器
中。读取 I.MX6UL 寄存器也是一样的,只是过程相反。常用的存储器访问指令有两种:LDR 和 STR,用法如表所示:

分别来详细的介绍一下如何使用这两个指令:
1、LDR 指令
LDR 主要用于从存储加载数据到寄存器 Rx 中,LDR 也可以将一个立即数加载到寄存器 Rx
中,LDR 加载立即数的时候要使用“=”,而不是“#”。在嵌入式开发中,LDR 最常用的就是读
取 CPU 的寄存器值,比如 I.MX6UL 有个寄存器 GPIO1_GDIR,其地址为 0X0209C004,我们
现在要读取这个寄存器中的数据,示例代码如下:
示例代码  LDR 指令使用
 LDR R0, =0X0209C004 @将寄存器地址 0X0209C004 加载到 R0 中,即 R0=0X0209C004
 LDR R1, [R0] @读取地址 0X0209C004 中的数据到 R1 寄存器中
上述代码就是读取寄存器 GPIO1_GDIR 中的值,读取到的寄存器值保存在 R1 寄存器中,
上面代码中 offset 是 0,也就是没有用到 offset。 
2、STR 指令
LDR 是从存储器读取数据,STR 就是将数据写入到存储器中,同样以 I.MX6UL 寄存器
GPIO1_GDIR 为例,现在我们要配置寄存器 GPIO1_GDIR 的值为 0X20000002,示例代码如下:
示例代码  STR 指令使用
 LDR R0, =0X0209C004 @将寄存器地址 0X0209C004 加载到 R0 中,即 R0=0X0209C004
 LDR R1, =0X20000002 @R1 保存要写入到寄存器的值,即 R1=0X20000002
 STR R1, [R0] @将 R1 中的值写入到 R0 中所保存的地址中
LDR 和 STR 都是按照字进行读取和写入的,也就是操作的 32 位数据,如果要按照字节、
半字进行操作的话可以在指令“LDR”后面加上 B 或 H,比如按字节操作的指令就是 LDRB 和 STRB,按半字操作的指令就是 LDRH 和 STRH。

压栈和出栈指令
我们通常会在 A 函数中调用 B 函数,当 B 函数执行完以后再回到 A 函数继续执行。要想
再跳回 A 函数以后代码能够接着正常运行,那就必须在跳到 B 函数之前将当前处理器状态保存
起来(就是保存 R0~R15 这些寄存器值),当 B 函数执行完成以后再用前面保存的寄存器值恢复
R0~R15 即可。保存 R0~R15 寄存器的操作就叫做现场保护,恢复 R0~R15 寄存器的操作就叫做
恢复现场。在进行现场保护的时候需要进行压栈(入栈)操作,恢复现场就要进行出栈操作。压栈
的指令为 PUSH,出栈的指令为 POP,PUSH 和 POP 是一种多存储和多加载指令,即可以一次
操作多个寄存器数据,他们利用当前的栈指针 SP 来生成地址,PUSH 和 POP 的用法如表 7.2.3.1
所示:

假如我们现在要将 R0~R3 和 R12 这 5 个寄存器压栈,当前的 SP 指针指向 0X80000000,处理器的堆栈是向下增长的,使用的汇编代码如下:
PUSH {R0~R3, R12} @将 R0~R3 和 R12 压栈
压栈完成以后的堆栈如图 7.2.3.1 所示:

上图就是对R0~R3,R12进行压栈以后的堆栈示意图,此时的SP指向了0X7FFFFFEC,
假如我们现在要再将 LR 进行压栈,汇编代码如下:
PUSH {LR} @将 LR 进行压栈
对 LR 进行压栈完成以后的堆栈模型如下图所示:

上图就是分两步对 R0~R3,R12 和 LR 进行压栈以后的堆栈模型,如果我们要出栈的话
就是使用如下代码:
POP {LR} @先恢复 LR POP {R0~R3,R12} @在恢复 R0~R3,R12
出栈的就是从栈顶,也就是 SP 当前执行的位置开始,地址依次减小来提取堆栈中的数据
到要恢复的寄存器列表中。PUSH 和 POP 的另外一种写法是“STMFD SP!”和“LDMFD SP!”,
因此上面的汇编代码可以改为:
示例代码 STMFD 和 LDMFD 指令
 STMFD SP!,{R0~R3, R12} @R0~R3,R12 入栈
 STMFD SP!,{LR} @LR 入栈 
 LDMFD SP!, {LR} @先恢复 LR
 LDMFD SP!, {R0~R3, R12} @再恢复 R0~R3, R12
STMFD 可以分为两部分:STM 和 FD,同理,LDMFD 也可以分为 LDM 和 FD。看到 STM
和 LDM 有没有觉得似曾相识(不是 STM32 啊啊啊啊),前面我们讲了 LDR 和 STR,这两个是
数据加载和存储指令,但是每次只能读写存储器中的一个数据。STM 和 LDM 就是多存储和多
加载,可以连续的读写存储器中的多个连续数据。
FD 是 Full Descending 的缩写,即满递减的意思。根据 ATPCS 规则,ARM 使用的 FD 类型
的堆栈,SP 指向最后一个入栈的数值,堆栈是由高地址向下增长的,也就是前面说的向下增长
的堆栈,因此最常用的指令就是 STMFD 和 LDMFD。STM 和 LDM 的指令寄存器列表中编号
小的对应低地址,编号高的对应高地址。

跳转指令
有多种跳转操作,比如:
①、直接使用跳转指令 B、BL、BX 等。
②、直接向 PC 寄存器里面写入数据。
上述两种方法都可以完成跳转操作,但是一般常用的还是 B、BL 或 BX,用法如下表:

我们重点来看一下 B 和 BL 指令,因为这两个是我们用的最多的,如果要在汇编中进行函
数调用使用的就是 B 和 BL 指令:
1、B 指令
这是最简单的跳转指令,B 指令会将 PC 寄存器的值设置为跳转目标地址, 一旦执行 B 指
令,ARM 处理器就会立即跳转到指定的目标地址。如果要调用的函数不会再返回到原来的执行
处,那就可以用 B 指令,如下示例:
示例代码 B 指令示例
_start: 
 ldr sp,=0X80200000 @设置栈指针
 b main @跳转到 main 函数
上述代码就是典型的在汇编中初始化 C 运行环境,然后跳转到 C 文件的 main 函数中运行,
上述代码只是初始化了 SP 指针,有些处理器还需要做其他的初始化,比如初始化 DDR 等等。
因为跳转到 C 文件以后再也不会回到汇编了,所以在第 4 行使用了 B 指令来完成跳转。
2、BL 指令
BL 指令相比 B 指令,在跳转之前会在寄存器 LR(R14)中保存当前 PC 寄存器值,所以可以
通过将 LR 寄存器中的值重新加载到 PC 中来继续从跳转之前的代码处运行,这是子程序调用
一个基本但常用的手段。比如 Cortex-A 处理器的 irq 中断服务函数都是汇编写的,主要用汇编
来实现现场的保护和恢复、获取中断号等。但是具体的中断处理过程都是 C 函数,所以就会存
在汇编中调用 C 函数的问题。而且当 C 语言版本的中断处理函数执行完成以后是需要返回到
irq 汇编中断服务函数,因为还要处理其他的工作,一般是恢复现场。这个时候就不能直接使用
B 指令了,因为 B 指令一旦跳转就再也不会回来了,这个时候要使用 BL 指令,示例代码如下:
示例代码 BL 指令示例
 push {r0, r1} @保存 r0,r1
 cps #0x13 @进入 SVC 模式,允许其他中断再次进去

 bl system_irqhandler @加载 C 语言中断处理函数到 r2 寄存器中

 cps #0x12 @进入 IRQ 模式
 pop {r0, r1} 
 str r0, [r1, #0X10] @中断执行完成,写 EOIR
上述代码中第 5 行就是执行 C 语言版的中断处理函数,当处理完成以后是需要返回来继续
执行下面的程序,所以使用了 BL 指令。
算术运算指令
汇编中也可以进行算术运算, 比如加减乘除,常用的运算指令用法如下表所示:

在嵌入式开发中最常会用的就是加减指令,乘除基本用不到。
逻辑运算指令
我们用 C 语言进行 CPU 寄存器配置的时候常常需要用到逻辑运算符号,比如“&”、“|”等
逻辑运算符。使用汇编语言的时候也可以使用逻辑运算指令,常用的运算指令用法如下表所示:

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