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ARM彙編基礎

2020-08-12 07:34:51

ARM彙編基礎

GNU 彙編語法

GNU 彙編語法適用於所有的架構，並不是 ARM 獨享的，GNU 彙編由一系列的語句組成，
每行一條語句，每條語句有三個可選部分，如下：

label: instruction@comment

label 即標號，表示地址位置，有些指令前面可能會有標號，這樣就可以通過這個標號得到指令的地址，標號也可以用來表示數據地址。注意 label 後面的「：」，任何以「：」結尾的識別符號都會被識別爲一個標號。
instruction 即指令，也就是彙編指令或僞指令。
@符號，表示後面的是註釋，就跟 C 語言裏面的「/」和「/」一樣，其實在 GNU 彙編檔案中我們也可以使用「/」和「/」來註釋。
comment 就是註釋內容。
比如如下程式碼：

add:
	MOVS R0, #0X12 @設定R0=0X12

上面程式碼中「add:」就是標號，「MOVS R0,#0X12」就是指令，最後的「@設定 R0=0X12」就是註釋。
注意！ARM 中的指令、僞指令、僞操作、暫存器名等可以全部使用大寫，也可以全部使用小寫，但是不能大小寫混用。
使用者可以使用.section 僞操作來定義一個段，彙編系統預定義了一些段名：

.text 表示程式碼段。
.data 初始化的數據段。
.bss 未初始化的數據段。
.rodata 只讀數據段。

我們當然可以自己使用.section 來定義一個段，每個段以段名開始，以下一段名或者檔案結
尾結束，比如：

.section .testsection @定義一個 testsetcion 段

彙編程式的預設入口標號是_start，不過我們也可以在鏈接指令碼中使用 ENTRY 來指明其它
的入口點，下面 下麪的程式碼就是使用_start 作爲入口標號：

	.global _start 
		 _start:
	ldr r0, =0x12 @r0=0x12

上面程式碼中.global 是僞操作，表示_start 是一個全域性標號，類似 C 語言裏面的全域性變數一
樣，常見的僞操作有：
.byte 定義單位元組數據，比如.byte 0x12。
.short 定義雙位元組數據，比如.short 0x1234。
.long 定義一個 4 位元組數據，比如.long 0x12345678。
.equ 賦值語句，格式爲：.equ 變數名，表達式，比如.equ num, 0x12，表示 num=0x12。
.align 數據位元組對齊，比如：.align 4 表示 4 位元組對齊。
.end 表示原始檔結束。
.global 定義一個全域性符號，格式爲：.global symbol，比如：.global _start。

GNU 彙編同樣也支援函數，函數格式如下：

函數名: 函數體
返回語句

GNU 彙編函數返回語句不是必須的，如下程式碼就是用匯編寫的Cortex-A7中斷服務函數：

/* 未定義中斷 */
Undefined_Handler:
	ldr r0,  = Undefine_Handler
	bx r0

/* SVC中斷 */
SVC_Handler:
	ldr r0,  = SVC_Handler
	bx r0

/*預取中斷*/
PrefAbort_Handler:
	ldr r0, PerfAbort_Hander
	bx r0

上述程式碼中定義了三個彙編函數：Undefined_Handler、SVC_Handler 和
PrefAbort_Handler。以函數 Undefined_Handler 爲例我們來看一下彙編函陣列成，
「Undefined_Handler」就是函數名，「ldr r0, =Undefined_Handler」是函數體，「bx r0」是函數
返回語句，「bx」指令是返回指令，函數返回語句不是必須的。

Cortex-A7 常用匯編指令

處理器內部數據傳輸指令

使用處理器做的最多的事情就是在處理器內部來回的傳遞數據，常見的操作有：
①、將數據從一個暫存器傳遞到另外一個暫存器。
②、將數據從一個暫存器傳遞到特殊暫存器，如 CPSR 和 SPSR 暫存器。
③、將立即數傳遞到暫存器。
數據傳輸常用的指令有三個：MOV、MRS 和 MSR，這三個指令的用法如下表所示：在这里插入图片描述

MOV指令

MOV 指令用於將數據從一個暫存器拷貝到另外一個暫存器，或者將一個立即數傳遞到寄
存器裏面，使用範例如下：

MOV R0, R1		 @將暫存器R1中的數據傳遞給R0， 即 R0 = R1
MOV R0, #0X12   @將0X12傳遞給R0暫存器， 即R0 = 0X12

MRS指令

MRS指令用於將特殊暫存器（如CPSR 和 SPSR)中的數據傳遞給通用暫存器，要讀取特殊暫存器的數據只能用MRS指令！使用範例如下：

MRS R0, CPSR    @將特殊暫存器CPSR裏面的數據傳遞給R0， 即R0 = CPSR

MSR指令

MSR 指令和MRS剛好相反，MSR指令用來將普通暫存器的數據傳遞給特殊暫存器，也就是寫特殊暫存器，寫特殊暫存器，也就是寫特殊暫存器，寫特殊暫存器只能用MSR, 使用範例如下：

MSR  R0, CPSR  @ 將R0的數據複製到CPSR中，即CPSR=R0

記憶體存取指令

ARM 不能直接存取記憶體，比如 RAM 中的數據，I.MX6UL 中的暫存器就是 RAM 型別
的，我們用匯編來設定 I.MX6UL 暫存器的時候需要藉助記憶體存取指令，一般先將要設定的值
寫入到 Rx(x=0~12)暫存器中，然後藉助記憶體存取指令將 Rx 中的數據寫入到 I.MX6UL 暫存器中。讀取 I.MX6UL 暫存器也是一樣的，只是過程相反。常用的記憶體存取指令有兩種：LDR 和 STR，用法如下表所示：

指令 描述
LDR Rd, [Rn, #offset 從記憶體Rn+offset的位置讀取數據存放到Rd中
STR Rd,[Rn, %offset 將Rd中的數據寫入到記憶體中的Rn+offset位置。
記憶體存取指令

LDR主要用於儲存載入數據到暫存器Rx中，LDR也可以將一個立即數載入到暫存器Rx中，LDR載入立即數的時候要使用"=",而不是「#」。在嵌入式開發中。LDR最常用的就是讀CPU的暫存器值，比如 I.MX6UL 有個暫存器 GPIO1_GDIR，其地址爲 0X0209C004，我們
現在要讀取這個暫存器中的數據，範例程式碼如下：

LDR R0, = 0X0209C004  @ 將暫存器地址0X209C004載入到R0中，即R0=0X0209C004
LDR R1, [R0]                   @讀取地址0X0209C004 中的數據到R1暫存器中

上述程式碼就是讀取暫存器 GPIO1_GDIR 中的值，讀取到的暫存器值儲存在 R1 暫存器中，
上面程式碼中 offset 是 0，也就是沒有用到 offset。
LDR是從記憶體讀取數據， STR就是將數據寫入到記憶體中，同樣以I.MX6UL 暫存器
GPIO1_GDIR 爲例，現在我們要設定暫存器 GPIO1_GDIR 的值爲 0X2000002，範例程式碼如下：

LDR   R0,  = 0X0209C004  @將暫存器地址0X0209C004 載入到R0中， 即R0 = 0X0209C004
LDR   R1,  = 0X20000002  @R1儲存要寫入到暫存器的值， 即R1 = 0X20000002

LDR 和 STR 都是按照字進行讀取和寫入的，也就是操作的 32 位數據，如果要按照位元組、
半字進行操作的話可以在指令「LDR」後面加上 B 或 H，比如按位元組操作的指令就是 LDRB 和 STRB，按半字操作的指令就是 LDRH 和 STRH。

壓棧出棧指令

我們通常會在 A 函數中呼叫 B 函數，當 B 函數執行完以後再回到 A 函數繼續執行。要想
在跳回 A 函數以後程式碼能夠接着正常執行，那就必須在跳到 B 函數之前將當前處理器狀態儲存
起來(就是儲存 R0~R15 這些暫存器值)，當 B 函數執行完成以後再用前面儲存的暫存器值恢復
R0~R15 即可。儲存 R0~R15 暫存器的操作就叫做現場保護，恢復 R0~R15 暫存器的操作就叫做
恢復現場。在進行現場保護的時候需要進行壓棧(入棧)操作，恢復現場就要進行出棧操作。壓棧
的指令爲 PUSH，出棧的指令爲 POP，PUSH 和 POP 是一種多儲存和多載入指令，即可以一次
操作多個暫存器數據，他們利用當前的棧指針 SP 來生成地址，PUSH 和 POP 的用法如下表所示：
在这里插入图片描述
假如我們現在要將 R0~R3 和 R12 這 5 個暫存器壓棧，當前的 SP 指針指向 0X80000000，處理器的堆疊是向下增長的，使用的彙編程式碼如下：

PUSH {R0~R3, R12}        @將R0~R3和R12壓棧

壓棧完成以後的堆疊如下圖所示
在这里插入图片描述
就是對R0~R3,R12進行壓棧以後的堆疊示意圖，此時的SP指向了0X7FFFFFEC，
假如我們現在要再將 LR 進行壓棧，彙編程式碼如下：

PUSH {LR} @將LR進行壓棧

對 LR 進行壓棧完成以後的堆疊模型如下圖所示
在这里插入图片描述
這就是分兩步對 R0~R3,R2 和 LR 進行壓棧以後的堆疊模型，如果我們要出棧的話
就是使用如下程式碼：
下面 下麪展示一些 內聯程式碼片。

POP {LR}     @先恢復LR
POP {R0~R3, R12} @再恢復R0~R3, R12

出棧的就是從棧頂，也就是當前執行的位置開始， 地址依次減小來提取堆疊的數據到恢復的暫存器列表中。

跳轉指令

有多種跳轉操作，比如：
1、直接使用跳轉指令B、BL、BX等。
2、直接向PC暫存器裏面寫數據。
上述兩種方法都可以完成跳轉操作，但是一般常用的還是 B、BL 或 BX，用法如下表
在这里插入图片描述

B指令

這是最簡單的跳轉指令，B指令會將PC暫存器的值設定爲跳轉目標值，一旦執行B指令，ARM處理器就會跳轉到指定的目標地址。如果要呼叫的函數不會再返回到原來的執行地址處，那就可以用B指令，如下範例：

_start:
	ldr sp, = 0X80200000  @
	b mian

上述程式碼就是典型的在彙編中初始化 C 執行環境，然後跳轉到 C 檔案的 main 函數中執行，上述程式碼只是初始化了 SP 指針，有些處理器還需要做其他的初始化，比如初始化 DDR 等等。因爲跳轉到 C 檔案以後再也不會回到彙編了，所以在第 4 行使用了 B 指令來完成跳轉。

BL指令

BL指令相比B指令，在跳轉會在暫存器LR(R14)中儲存當前PC暫存器值，所以可以通過將LR暫存器中的值重新載入到PC來繼續從跳轉之前的程式碼執行，這是子程式呼叫
一個基本但常用的手段。比如 Cortex-A 處理器的 irq 中斷服務函數都是彙編寫的，主要用匯編
來實現現場的保護和恢復、獲取中斷號等。但是具體的中斷處理過程都是 C 函數，所以就會存
在彙編中呼叫 C 函數的問題。而且當 C 語言版本的中斷處理常式執行完成以後是需要返回到
irq 彙編中斷服務函數，因爲還要處理其他的工作，一般是恢復現場。這個時候就不能直接使用
B 指令了，因爲 B 指令一旦跳轉就再也不會回來了，這個時候要使用 BL 指令，範例程式碼如下

push {r0, r1}  @儲存r0, r1
cps #13         @進入SVC模式，允許其他中斷再次進入

bl system_irqhandler  @載入 C 語言中斷處理常式到 r2 暫存器中

cps #0x12    @進入 IRQ 模式
pop {r0, r1}   
str r0, [r1, #0X10]  @中斷執行完成，寫 EOIR

上述程式碼中第 5 行就是執行 C 語言版的中斷處理常式，當處理完成以後是需要返回來繼續
執行下面 下麪的程式，所以使用了 BL 指令。

算數運算子

彙編中也可以進行算術運算， 比如加減乘除，常用的運算指令用法如下表所示：
在这里插入图片描述

邏輯運算子

我們用 C 語言進行 CPU 暫存器設定的時候常常需要用到邏輯運算子號，比如「&」、「|」等邏輯運算子。使用匯編語言的時候也可以使用邏輯運算指令，常用的運算指令用法如下表所示：
在这里插入图片描述