[嵌入式][007] [ARM-Cortex-M3/4] C与汇编深入分析

1 子程序（函数）调用规则

[ARM-Cortex-M3/4] ATPCS子程序调用规则规定了函数调用过程中参数的传递、局部变量的保存、数据栈的使用等规则。

• r0~r3传递参数，被调用的子程序在返回前无需恢复寄存器r0～r3的内容。
• r4～r11保存局部变量，若被调程序使用了其中的某些寄存器，则在进入子程序时必须保存它们的值，在返回前必须恢复这些寄存器的值。在Thumb程序中，只能使用r4~r7。
• r12~r15为特殊寄存器。

2 C函数的反汇编代码分析

keil软件会对名为main的函数添加很多额外的汇编代码(与链接脚本有关)，为了简化分析，将main修改为mymain。

• start.s

				PRESERVE8
                THUMB

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
                AREA    RESET, DATA, READONLY
				EXPORT  __Vectors
					
__Vectors       DCD     0                  
                DCD     Reset_Handler              ; Reset Handler

				AREA    |.text|, CODE, READONLY

; Reset handler
Reset_Handler   PROC
				EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
                IMPORT  mymain			; 修改为mymian

				LDR SP, =(0x20000000+0x10000)
				BL mymain

                ENDP 
                
                END

程序烧录到flash中的即为机器码。

在启动文件使用BL指令跳转到mymain函数：

• 使能GPIOB

; pReg = (unsigned int *)(0x40021000 + 0x18);
LDR  	r3,[pc,#52] 	; pc+52=0x8000058, 将该地址的中的内容0x40021018加载到 r3 (r3即为指针pReg)
; *pReg |= (1<<3);
LDR  	r0,[r3,#0]		; r0 = *r3  (*即为解引用, 表示取r3地址中的值)
ORR     r0,r0,#8		; r0 |= (1 << 3)
STR     r0,[r3,#0]		; *r3 = r0 	

• 设置GPIOB0为输出引脚

; pReg = (unsigned int *)(0x40010C00 + 0x00);
LDR     r3,[pc,#48] 	; 从0x0800005c内存地址读出0x40010c00加载到r3
; *pReg |= (1<<0);
LDR     r0,[r3,#0]		; r0 = *r3
ORR     r0,r0,#1		; r0 |= 1
STR     r0,[r3,#0]		; *r3 = r0
; pReg = (unsigned int *)(0x40010C00 + 0x0C);
LDR     r3,[pc,#36] 	; r3 = 0x40010c00
ADDS    r3,r3,#0xc		; r3 += 0xc, S表示需要修改CPSR状态寄存器

• while循环

0x08000038:   B        0x8000056 	; 跳转到最后一句0x8000056处
; *pReg |= (1<<0);
0x0800003a:   LDR      r0,[r3,#0]	; r0 = *r3 = *(0x40010c00 + 0xc)
0x0800003c:   ORR      r0,r0,#1		; r0 |= (1 << 0)
0x08000040:   STR      r0,[r3,#0]	; *r3 = r0
; delay(100000);
0x08000042:   LDR      r0,[pc,#28]  ; r0 = *0x08000060 = 0x186a0 = 100000, 根据ATPCS规则r0保存delay函数的入口参数
0x08000044:   BL       delay 		; 跳转到0x8000014处的delay函数↓, 并将下一条指令的地址0x08000048加载到LR
; *pReg &= ~(1<<0);
0x08000048:   LDR      r0,[r3,#0]	; r0 = *r3 = *(0x40010c00 + 0xc)
0x0800004a:   BIC      r0,r0,#1		; r0 &= ~(1 << 0)
0x0800004e:   STR      r0,[r3,#0]	; *r3 = r0
; delay(100000);
0x08000050:   LDR      r0,[pc,#12]  ; r0 = 0x186a0 = 100000
0x08000052:   BL       delay 		; 跳转到0x8000014处的delay函数↓
0x08000056:   B        0x800003a 	; 跳回到第二句0x800003a处

; 以下是为一些常量分配的地址与值, 不属于while部分
0x08000058:    40021018    DCD    1073877016
0x0800005c:    40010c00    DCD    1073810432
0x08000060:    000186a0    DCD    100000

• delay函数

0x08000014:   NOP      				; 空操作伪指令，用于延时
0x08000016:   SUBS     r1,r0,#0		; r1 = r0 - 0, S表示会更新cpsr
0x08000018:   SUB      r0,r0,#1		; r0 -= 1
0x0800001c:   BNE      0x8000016 	; not equal(Z=0)执行，即若r0不为0, 跳转到0x8000016处继续执行
0x0800001e:   BX       lr			; 调转到 while循环 中BL指令的下一条指令处继续执行

在start.s中设置了栈LDR SP, =(0x20000000+0x10000)，为体现函数栈的调用，将delay函数变种(加volatile)：

int delay(volatile int d)
{
	while(d--);
	return 0x55;
}

delay
    0x08000014:    PUSH     {r0,lr}			; 将1r压入到sp-4, r0压入到sp-8, sp = sp - 8
    0x08000016:    NOP      
    ; 因为加了volatile(从栈中读r0到r1 -> 修改r1-> 将r1再写回栈中r0
    0x08000018:    LDR      r0,[sp,#0]		; r0 = sp, sp存储原r0
    0x0800001a:    SUBS     r1,r0,#1		; r1 = r0 - 1, 并改变cpsr
    0x0800001c:    STR      r1,[sp,#0]		; *sp = r1, 即*r0 = r1
    0x0800001e:    CMP      r0,#0			; 比较r0是否为0
    0x08000020:    BNE      0x8000018 		; 如果r0不为0, 跳转到0x8000018处
    0x08000022:    MOVS     r0,#0x55		; 用r0保存函数返回值0x55
    0x08000024:    POP      {r3,pc}			; r3 = r0, pc = lr 跳转
    0x08000026:    MOVS     r0,r0			; 无用语句->字节对齐

不加volatile：

0x08000016:   SUBS     r1,r0,#0		; r1 = r0 - 0, S表示会更新cpsr
0x08000018:   SUB      r0,r0,#1		; r0 -= 1

加volatile：

0x08000018:   LDR      r0,[sp,#0]	; r0 = sp, sp存储原r0
0x0800001a:   SUBS     r1,r0,#1		; r1 = r0 - 1, 并改变cpsr
0x0800001c:   STR      r1,[sp,#0]	; *sp = r1, sp存储原r0, 即*r0 = r1

3 Flash中烧录的内容与启动流程

3.1 Flash中烧录的内容

反汇编文件的框选部分即为机器码，将其烧录到对应的flash地址上（四字节对齐）：

3.2 启动流程

分散加载文件中指定了flash起始地址为0x80000000：

LR_IROM1 0x08000000 0x00080000  {    ; load region size_region
  ER_IROM1 0x08000000 0x00080000  {  ; load address = execution address
   *.o (RESET, +First)
   *(InRoot$$Sections)
   .ANY (+RO)
   .ANY (+XO)
  }
  RW_IRAM1 0x20000000 0x00010000  {  ; RW data
   .ANY (+RW +ZI)
  }
}

• 设置栈：CPU会从0x08000000读取值，用来设置SP指向flash起始地址(示例的启动文件中后面再次设置了SP，让其指向RAM末尾地址)
• 跳转：CPU从0x08000004得到地址值0x08000009，即PC=0x08000009，PC的LSB为1表示Thumb状态（0为ARM）
  • 对于cortex M3/M4，它只支持Thumb状态，所以0x08000004上的值的LSB总为1
  • 跳到Reset_Handler（0x08000008地址处）复位中断服务例程中执行

4 纯汇编点灯

引脚PA8

				PRESERVE8
                THUMB

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
                AREA    RESET, DATA, READONLY
				EXPORT  __Vectors
					
__Vectors       DCD     0                  
                DCD     Reset_Handler              ; Reset Handler
				AREA    |.text|, CODE, READONLY

; Reset handler
Reset_Handler   PROC
				EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
					
DEALY_TIME      EQU     500000	; 定义延时时间常量
				; 使能GPIOA时钟, RCC寄存器基地址0x4002 1000, 0x40021000 + 0x18为RCC->RCC_APB2ENR
				LDR	R0, =(0x40021000 + 0x18)
				LDR R1, [R0]
				ORR R1, R1, #(1<<2)
				STR R1, [R0]
				; 配置CRH寄存器, 设置PA8为推挽输出, GPIOA基地址0x4001 0800, 0x40010800 + 0x04为GPIOA->CRH
				LDR	R0, =(0x40010800 + 0x04)
				LDR R1, [R0]
				BIC R1, R1, #0xf	; 先清除
				ORR R1, R1, #0x3	; 推挽输出, 50mhz
				STR R1, [R0]
				; 操作ODR寄存器控制GPIO电平, 0x40010800 + 0x0C为GPIOA->ODR)
				LDR	R0, =(0x40010800 + 0x0C)
LOOP				
				; 拉高
				LDR R1, [R0] 
				ORR R1, R1, #(1<<8)
				STR R1, [R0]
				; 延时
				LDR R2, =DEALY_TIME
				BL DELAY
				
				; 拉低
				LDR R1, [R0] 
				BIC R1, R1, #(1<<8)
				STR R1, [R0]
				; 延时
				LDR R2, =DEALY_TIME
				BL DELAY
				
				B LOOP
                ENDP 
DELAY
				SUBS R2, R2, #1
				NOP		; vb字节对齐
				BNE DELAY
				BX LR	; MOV PC, LR
                END

实验现象：PA8红色LED正常闪烁。

END