2020年03月26日 | 常用ARM汇编指令及ATPCS规则

在嵌入式开发中，汇编程序常常用于非常关键的地方，比如系统启动时的初始化，进出中断时的环境保存、恢复，对性能要求非常苛刻的函数等。

只在必要情况下使用汇编指令，只涉及几条汇编指令。

1.相对跳转指令：b、bl

这两条指令的不同之处在于bl指令除了跳转之外，还将返回地址(bl的下一条指令的地址)保存在lr寄存器中。

这两条指令的可跳转范围是当前指令的前后32M：-32M~+32M。它们是位置无关的指令。使用示例：

b fun1

......

fun1:

bl fun2

......

fun2:

......

2.数据传送指令mov，地址读取伪指令ldr

mov指令可以把一个寄存器的值赋给另一个寄存器，或者把一个常数赋给寄存器。例子如下：

mov r1, r2 /* r1=r2 */

mov r1, #4096 /* r1=4096 */

mov指令传送的常数必须能用"立即数"来表示。

当不知道一个数能否用"立即数"来表示时，可以使用ldr命令来赋值。ldr是伪指令，它不是真实存在的指令，编译器会把它扩展成真正的指令；如果该常数能用"立即数"来表示，则使用mov指令；否则编译时将该常数保存在某个位置，使用内存读取指令把它读出来。例子如下：

ldr r1, =4097 /* r1=4097 */

ldr本意为"大范围的地址读取伪指令"，上面的例子使用它来将常数赋给寄存器r1。下面的例子是获得代码的绝对地址：

ldr r1, =label

label:

......

3.内存访问指令：ldr、str、ldm、stm

注意："ldr"指令既可能是前面所述的"大范围的地址读取伪指令"，也可能是内存访问指令。当它的第二个参数前面有"="号时，表示伪指令，否则表示内存访问指令。

ldr指令从内存中读取数据到寄存器，str指令把寄存器的值存储到内存中，它们操作的数据都是32位的。示例如下：

ldr r1, [r2, #4] /* 将地址为 r2+4 的内存单元数据读取到 r1 中 */

ldr r1, [r2] /* 将地址为 r2 的内存单元位数据读取到 r1 中 */

ldr r1, [r2], #4 /* 将地址为 r2 的内存单元数据读取到 r1 中，然后 r2=r2+4 */

str r1, [r2, #4] /* 将 r1 的数据保存到地址为 r2+4 的内存单元中 */

str r1, [r2] /* 将 r1 的数据保存到地址为 r2 的内存单元中 */

str r1, [r2], #4 /* 将 r1 的数据保存到地址为 r2 的内存单元中，然后 r2=r2+4 */

ldm和stm属于批量内存访问指令，只用一条指令就可以读写多个数据。它们的格式如下：

ldm {cond}   {!}  {^}

stm {cond}   {!}  {^}

其中{cond}表示指令的执行条件。

表示地址变化模式，有以下4种方式：

ia(Increment After)     事后递增方式

ib(Increment Before)     事先递增方式

da(Decrement After)     事后递减方式

db(Decrement Before)     事先递减方式

中保存内存的地址，如果后面加上了感叹号，指令执行后，rn的值会更新：等于下一个内存单元的地址。

表示寄存器列表，对于ldm指令，从所对应的内存块中取出数据，写入这些寄存器；对于stm指令，把这些寄存器的值，写入所对应的内存块中。

{^}有两种含义：如果中有pc寄存器，它表示指令执行后，spsr寄存器的值将自动复制到cpsr寄存器中——这常用于从中断处理函数中返回；如果中没有pc寄存器，{^}表示操作的是用户模式下的寄存器，而不是当前特权模式的寄存

器。

指令中寄存器列表和内存单元的对应关系为：编号低的寄存器对应内存中的低地址单元，编号高的寄存器对应内存中的高地址单元。

ldm和stm指令示例如下：

//中断入口函数

HandleIRQ:

sub lr, lr, #4 //计算返回地址

stmdb sp!, {r0-r12,lr} //保存使用到的寄存器

//r0-r12，lr被保存在sp表示的内存中，

//"!"使得指令执行后，sp=sp-14*4

ldr lr, =int_return //设置调用IRQ_Handle函数后的返回地址

ldr pc, =IRQ_Handle //调用中断分发函数

int_return:

ldmia sp!, {r0-r12,pc}^ //中断返回，^表示将spsr的值复制到cpsr

//于是从irq模式返回被中断的工作模式

//"!"使得指令执行后，sp=sp+14*4

4.加减指令：add、sub

例子如下：

add r1, r2, #1 /* 表示 r1=r2+1，即寄存器r1的值等于寄存器r2的值加上1 */

sub r1, r2, #1 /* 表示 r1=r2-1 */

5.程序状态寄存器的访问指令：msr、mrs

ARM处理器有一个程序状态寄存器(cpsr)，它用来控制处理器的工作模式、设置中断的总开关。示例如下：

msr cpsr, r0 /* 复制r0到cpsr中 */

mrs r0, cpsr /* 复制cpsr到r0中 */

6.其他伪指令

在本书的汇编程序中，常常见到如下语句：

.extern main

.text

.global _start

_start:

".extern"定义一个外部符号(可以是变量也可以是函数)，上面的代码表示本文件中引用的main是一个外部函数。

".text"表示下面的语句都属于代码段。

".global"将本文件中的某个程序标号定义为全局的，比如上面的代码表示_start个全局函数。

7.汇编指令的执行条件

大多数ARM指令都可以条件执行，即根据cpsr寄存器中的条件标志位决定是否执行该指令：如果条件不满足，该指令相当于一条nop指令。

每条ARM指令包含4位的条件码域，这表明可以定义16个执行条件。可以将这些执行条件的助记符附加在汇编指令后，比如moveq、 movgt等。这16个条件码和它们的助记符、含义如下表所示：

表. 指令的条件码

表中的cpsr条件标志位N、Z、C、V分别表示：Negative、Zero、Cary、oVerflow。影响条件标志位的因素比较多，比如比较指令cmp、cmn、teq及tst等。

2.ARM-THUMB子程序调用规则ATPCS

为了使C语言程序和汇编程序之间能够互相调用，必须为子程序间的调用制定规则，在ARM处理器中，这个规则被称为ATPCS；ARM程序和Thumb程序中子程序调用的规则。基本的ATPCS规则包括寄存器使用规则、数据栈使用规则、参数传递规则。

1.寄存器使用规则

ARM处理器中有r0～r15共16个寄存器，它们的用途有一些约定的习惯，并依具这些用途定义了别名，如下表所示：

ATPCS中各寄存器的使用规则及其名称：

寄存器的使用规则总结如下：

子程序间通过寄存器r0~r3来传递参数，这时可以使用它们的别名a0~a3。被调用的子程序返回前无需恢复r0~r3的内容。

在子程序中，使用r4~r11来保存局部变量，这时可以使用它们的别名v1～v8。如果在子程序中使用了它们的某些寄存器，子程序进入时要保存这些寄存器的值，在返回前恢复它们；对于子程序中没有使用到的寄存器则不必进行这些操作。在Thumb程序中，通常只能使用寄存器r4～r7来保存局部变量。

寄存器r12用作子程序间scratch寄存器，别名为ip。

寄存器r13用作数据栈指针，别名为sp。在子程序中寄存器r13不能用作其他用途。它的值在进入、退出子程序时必须相等。

寄存器r14被称为连接寄存器，别名为lr。它用于保存子程序的返回地址。如果在子程序中保存了返回地址(比如将lr值保存到数据栈中)，r14可以用作其他用途。

寄存器r15是程序计数器，别名为pc。它不能用作其他用途。

2.数据栈使用规则

数据栈有两个增长方向：向内存地址减小的方向增长时，称为DESCENDING栈；向内地址增加的方向增长时，称为ASCENDING栈。

所谓数据栈的增长就是移动栈指针。当栈指针指向栈顶元素(最后一个入栈的数据)时，称为FULL栈；当栈指针指向栈顶元素(最后一个入栈的数据)相邻的一个空的数据单元时，称为EMPTY栈。

综合这两个特点，数据栈可以分为以下4种：

FD Full Descending，满递减

ED Empty Descending，空递减

FA Full Ascending，满递增

EA Empty Ascending，空递增

ATPCS规定数据栈为FD类型，并且对数据栈的操作是8字节对齐的。使用stmdb/ldmia批量内存访问指令来操作FD数据栈。

使用stmdb命令往数据栈中保存内容时，"先递减sp指针，再保存数据"，使用ldmia命令从数据栈中恢复数据时，"先获得数据，再递增sp指针"——sp指针总是指向栈顶元素，这刚好是FD栈的定义。

3.参数传递规则

一般来说，当参数个数不超过4个时，使用r0～r3这4个寄存器来传递参数；如果参数个数超过4个，剩余的参数通过数据栈来传递。

对于一般的返回结果，通常使用a0~a3来传递。示例：

假设CopyCode2SDRAM函数是用C语言实现的，它的数据原型如下：

int CopyCode2SDRAM(unsigned char *buf, unsigned long start_addr, int size)

在汇编代码中，使用下面的代码调用它，并判断返回值：

ldr r0, =0x30000000 //1.目标地址=0x30000000，这是SDRAM的起始地址

mov r1, #0 //2.源地址=0

mov r2, #16*1024 //4.复制长度=16K

bl CopyCode2SDRAM //调用C函数CopyCode2SDRAM

cmp a0, #0 //判断函数返回值

第1行将r0设为0x30000000，则CopyCode2SDRAM函数执行时，它的第一个参数buf的指向的内存地址为0x30000000。

第2行将r1设为0，CopyCode2SDRAM函数的第二个参数start_addr等于0。

第3行将r2设为16*1024，CopyCode2SDRAM函数的第三个参数start_addr等于16*1024。

第5行判断返回值。

完毕！