原创 ARM汇编关键知识点总结

2015-1-28 22:30 274 0 分类: MCU/ 嵌入式 文集: ARM

1.
LDR R1, =COUNT 意思是将 COUNT 变量的地址放到 R1中
LDR R1, COUNT 意思是将 COUNT 变量地址里面的内容赋给 R1

2.

Load-Store 结构——这个应该是 RISC设计中比较有特点的一部分。在 RISC 中,CPU 并不会对内存中的数据进行操作, 所有的计算都要求在寄存器中完成。 而寄存器和内存的通信则由单独的指令来完成。而在 CSIC中,CPU是可以直接对内存进行操作的,这也是一个比较特别的地方。所以,在 ARM中,cpu只能通过寄存器来对内存的数据进行访问和更改。

LDR Rd,(地址)
STR Rd, (地址)
LDMIA Rn!, regist
STMIA Rn!, regist

注意上面 LDR/STR 和 LDMIA/STMIA 的区别,LDR/STR 命令使用时,寄存器在前,地址在后。 而在 LDMIA/STMIA 使用时, 地址在前, 寄存器在后。 这就决定了 LDR 和 LDM 同为加载命令, 但操作顺序是不同的, 同理 STR/STM。 但有一点他们是相同的, 即加载 LDR/LDM的意思是把内存的数据 (即上面的地址) 加载到寄存器; 存储 STR/STM 的意思是把寄存器的内容存储到内存(即上面的地址) 。这样比较之后也就全明白了,只需明白哪部分是寄存器,哪部分是地址(内存) ,然后区别是加载还是存储,就可以知道操作方向。

LDM/STM指令主要用于现场保护,数据复制,参数传送等

3.

LDM/STM
IA/IB,DA,DB 数据块传输
FD/ED,EA/FA 堆栈操作
LDMIA Rn!, regList
STMIA Rn!, regList

其中 Rn 加载/存储的起始地址寄存器,Rn 必须为 R0~R7

RegList 加载/存储的起始寄存器列表,寄存器必须为 R0~R7

4.
在汇编程序中 !的使用,意思是回写,比如:

ldr r1,[sp, #S_PSR]
ldr lr, [sp, #S_PC]! 其中 ! 用来控制基址变址寻址的的最终新地址是否进行回写操作

此条语句的意思是 执行 ldr 之后 sp 被回写成 sp+#S_PC 基址变址寻址的新地址。

5.

ARM 堆栈的组织结构是满栈降的形式,满栈即 sp 是要停留在最后一个进栈元素;降,就是堆栈的增长方向是从高地址向低地址发展。
ARM 对于堆栈的操作一般采用 LDMFS(pop)和 STMFD(push)两个命令。
难点在于 STMFD 命令对于操作数是按照什么顺序压栈的。
比如:STMFD sp! {R0-R5,LR}进栈顺序是:

复制代码
高地址
LR          #先进栈
R5
R4
...........
R0 <-SP
低地址
复制代码

ARM 指令
多寄存器寻址:

LDMIA R0!,{R1-R4}
;R1<----[R0]
;R2<----[R0+4]
;R3<----[R0+8]
;R4<----[R0+12]

堆栈寻址:

STMFD 入栈指令,相当于 STMDB

STMFD SP!,{R2-R4}
;[SP-4]<---R4
;[SP-8]<---R3
;[SP-12]<---R2

LDMFD 出栈指令,相当于 LDMIA

LDMFD SP!,{R6-R8}
;R6<----[SP]
;R7<----[SP+4]
;R8<----[SP+8]

6.
汇编语句 LDMFD SP!, {R0-R12, LR, PC }^ 程序后面的^ ,表示什么意思?
'^'是一个后缀标志,不能在 User 模式和 Sys 系统模式下使用该标志.该标志有两个存在目的:
1) 对于 LDM 操作,程序会自动的将 spsr 的值拷贝到 cpsr 中。

比如:在 IRQ 中断返回代码中

ldmfd sp!, {r4} //读取 sp 中保存的的 spsr 值到 r4中
msr spsr_cxsf, r4 //对 spsr 的所有控制为进行写操作,将 r4的值全部注入 spsr
ldmfd sp! {r0-r12,lr,pc}^ //当指令执行完毕,pc 跳转之前,将 spsr 的值自动拷贝到 cpsr 中

2)数据的送入,送出发生在 User 用户模式下的寄存器,而非当前模式寄存器

如 ldmdb sp, {r0-lr}^;表示 sp 栈中的数据回复到 User 分组寄存器 r0-lr 中,而不是恢复到当前模式寄存器 r0-lr, 当然对于 User, System, IRQ,SVC,Abort, Undefined这6种模式来说 r0-r12是共用的,只是 r13和 r14为分别独有,对于 FIQ 模式,仅仅 r0-r7是和前6种模式的 r0-r7共用,r8-r14都是 FIQ 模式下专有。

7. 关于 ldr/str 几条指令使用的区别

ldr ip,[sp],#4 将 sp 中内容存入ip,之后 sp=sp+4;
ldr ip,[sp,#4] 将 sp+4这个新地址下的内容存入ip,之后 sp 值保持不变
ldr ip,[sp,#4]! 将 sp+4这个新地址下的内容存入ip,之后 sp=sp+4将新地址值赋给 sp
str ip,[sp],#4 将ip存入 sp 地址处,之后 sp=sp+4
str ip,[sp,#4] 将ip存入 sp+4这个新地址,之后 sp 值保持不变
str ip,[sp,#4]! 将ip存入 sp+4这个新地址,之后 sp=sp+4将新地址值赋给sp

8.
movs r1,#3; movs 将导致 ALU 被更改,因为 r1赋值非0,即操作结果 r1非0,所以 ALU 的 Z 标志清0
N,Z,C,V 称为 ALU(算术逻辑单元)状态标志。N:如果结果是负数则置位;Z:如果结果是零则置位;C:如果发生进位则置位;V:如果发生进位则置位。
9.
teq r1,#0 //r1-0,将结果送入状态标志,如果 r1和0相减的结果为0,那么 ALU 的Z 置位,否则 Z 清0
bne reschedule//ne 表示 Z 非0,即:不等,那么执行 reschedule 函数
10。
.使用 tst 来检查是否设置了特定的位
tst r1,#0x80   //按位 and 操作,检测 r1的0x1<<7,即第7位是否置1,按位与之后结果为0,那么 ALU 的 Z 置位
beq reset   //如果 Z 置位,即:以上按位与操作结果是0,那么跳转到 reset 标号执行

11.
  PC 和 LR 寄存器中在异常发生时,或在系统运行时其 PC 和 LR 寄存器值为多少?

下图为用户模式下 ARM 处理器体系结构:

  从图1中我们看到, 在 user 模式下, ARM CPU 有16个数据寄存器, 被命名为 r0~r15(这个要比 x86的多一些)。r13~r15有特殊用途,其中:
◆ r13 - 指向当前栈顶,相当于 x86的 esp,这个东西在汇编指令中要用 sp 表示
◆ r14 - 称作链接寄存器,指向函数的返回地址。用 lr 表示,这和 x86将返回地址保存在栈中是不同的
◆ r15 - 类似于 x86的 eip, 其值等于当前正在执行的指令的地址+8(因为在取址和执行之间多了一个译码的阶段),这个用 pc 表示。

另外, ARM 处理器还有一个名为 cspr 的寄存器, 用来监视和控制内部操作, 这点和x86 的状态寄存器是类似的。具体的内容就用到再说了。
总结:在系统正常运行时,PC 值等于当前正在执行的指令的地址+8,(因为在取址和执行之间多了一个译码的阶段)。

寄存器 R14(LR 寄存器)有两种特殊功能:
1)在任何一种处理器模式下,该模式对应的 R14寄存器用来保存子程序的返回地址
当执行 BL 或 BLX 指令进行子程序调用时,子程序的返回地址被放置在 R14中。这样,只要把 R14内容拷贝到 PC 中,就实现了子程序的返回。
2)当某异常发生时,相应异常模式下的 R14被设置成异常返回的地址(对于某些异常,可能是一个偏移量,一个较小的常量)。异常返回类似于子程序返回,但有小小的不同。

总结:
  所谓的子程序的返回地址, 实际就是调用指令的下一条指令的地址, 也就是 BL 或 BLX指令的下一条指令的地址。所谓的异常的返回的地址,就是异常发生前,CPU 执行的最后一条指令的下一条指令的地址。
例如:(子程序返回地址示例)

指令                      指令所在地址
ADD R2,R1,R3  ;0x300000           
BL subC               ;0x300004
MOV R1,#2          ;0x300008

BL 指令执行后,R14中保存的子程序 subC 的返回地址是0x300008。

再例如:(异常返回地址示例)

指令                      指令所在地址
ADD R2,R1,R3  ;0x300000
SWI 0x98            ;0x300004
MOV R1,#2          ;0x300008

SWI 指令执行后,进入 SWI 异常处理程序,此时 R14中保存的返回地址为0x300008。

总结:在系统正常运行时,PC 的值存储的是当前正在执行的指令地址的后两条地址(即+8),而 LR 是在子程序返回或异常返回时才使用,其值为当前正在执行的指令的后一条指令地址(即+4)。
12.
  由于上面 LR 和 PC 寄存器值的特点:我们可以解释软中断实现原理进行解释。

  SWI,即 software interrupt 软件中断。该指令产生一个 SWI 异常。意思就是把处理器模式改变为超级用户模式,CPSR 寄存器保存到超级用户模式下的 SPSR 寄存器,并且跳到 SWI 向量。其 ARM 指令格式如下:

SWI{cond} immed_24

  Cond 域:是可选的条件码 (参见 ARM 汇编指令条件执行详解).

  immed_24域:范围从 0 到 224-1 的表达式,(即0-16777215)。用户程序可以使用该常数来进入不同的处理流程。
一、方法1:获取 immed_24操作数。
  为了能实现根据指令中 immed_24操作数的不同,跳转到不同的处理程序,所以我们往往需要在 SWI 异常处理子程序中去获得 immed_24操作数的实际内容。获得该操作数内容的方法是在异常处理函数中使用下面指令

LDR R0,[LR,#-4]

  该指令将链接寄存器 LR 的内容减去4后所获得的值作为一个地址,然后把该地址的内容装载进 R0。此时再使用下面指令,immed_24操作数的内容就保存到了 R0:

BIC R0,R0,#0xFF000000

;Rd,  Rn, Oprand2
;BIC(位清除)指令对 Rn 中的值 和 Operand2 值的反码按位进行逻辑“与”运算

 

  该指令将 R0的高8位(绿色表示的)清零,并把结果保存到 R0,意思就是取 R0的低24位。

  所以,在 SWI 异常处理子程序中执行 LDR R0,[LR,#-4]语句,实际就是把产生本次 SWI异常的 SWI 指令的内容(如:SWI 0x98)装进 R0寄存器。又因为 SWI 指令的低24位保存了指令的操作数(如: 0x98), 所以再执行 BIC R0, R0, #0xFF000000语句, 就可以获得 immed_24操作数的实际内容。


二、方法2:使用参数寄存器。

  实际上,在 SWI 异常处理子程序的实现时,还可以绕开 immed_24操作数的获取操作,这就是说,我们可以不去获取 immed_24操作数的实际内容,也能实现 SWI 异常的分支处理。这就需要使用 R0-R4寄存器,其中 R0-R4可任意选择其中一个,一般选择R0,遵从 ATPCS 原则。
  具体方法就是, 在执行 SWI 指令之前, 给 R0赋予某个数值, 然后在 SWI 异常处理子程序中根据 R0值实现不同的分支处理。例如:

复制代码
指令                                             指令所在地址
MOV R0,#1                               ; #1给 R0
SWI 0x98                                  ; 产生 SWI 中断,执行异常处理程序
SoftwareInterrupt
ADD R2,R1,R3 ;
;SWI 异常处理子程序如下
SoftwareInterrupt
CMP R0, #6                               ; if R0 < 6
LDRLO PC, [PC, R0, LSL #2]       ; if R0 < 6,PC = PC + R0*4,else next
MOVS PC, LR
SwiFunction
DCD function0                            ;0
DCD function1                            ;1
DCD function2                            ;2
DCD function3                            ;3
DCD function4                            ;4
DCD function5                            ;5
Function0
异常处理分支0代码
Function1
异常处理分支1代码
function2
异常处理分支2代码
function3
异常处理分支3代码
function4
异常处理分支4代码
function5
异常处理分支5代码
复制代码

  在 ARM 体系结构中,当正确读取了 PC 的值时,该值为当前指令地址值加8字节,也就是说,对于 ARM 指令集来说,读出的 PC 值指向当前指令的下两条指令的地址,本例中就是指向SwiFunction 表头 DCD function0 这个地址,在该地址中保存了异常处理子分支 function0的入口地址。 所以, 当进入 SWI 异常处理子程序 SoftwareInterrupt 时, 如果 R0=0, 执行 LDRLO PC,[PC, R0, LSL #2]语句后, PC 的内容即为 function0的入口地址, 即程序跳转到了 function0执行。

  在本例中, 因为 R0=1, 所以, 实际程序是跳转到了 function1执行。 R0左移2位 (LDRLO PC,[PC, R0, LSL #2]) ,即 R0*4, 是因为 ARM 指令是字(4个字节)对齐的 DCD function0等伪指令也是按4字节对齐的。

  在本方法的实现中,实际指令中的24位立即数(immed_24域)被忽略了, 就是说immed_24域可以为任意合法的值。 如在本例中, 不一定使用 SWI 0x98, 还可以为 SWI 0x00或者 SWI 0x01等等,程序还是会进入 SWI 异常处理子程序 SoftwareInterrupt,然后根据 R0的内容跳转到相应的子分支。
13.
在 ARM 中栈底和栈顶的标识如下:满递减栈,栈底在上,栈顶在下是 SP。如下图所示:

14.

  下面就两个具体的例子谈谈 ARM 汇编。第一个是使用跳转表解决分支转移问题的例程,源代码如下(保存的时候请将文件后缀名改为 s):

复制代码
AREA JumpTest,CODE,READONLY
CODE32
num EQU 4
ENTRY
start
MOV r0, #4
MOV r1, #3
MOV r2, #2
MOV r3, #0
CMP r0, #num
BHS stop
ADR r4, JumpTable
CMP r0, #2
MOVEQ r3, #0
LDREQ pc, [r4,r3,LSL #2]
CMP r0, #3
MOVEQ r3, #1

LDREQ pc, [r4,r3,LSL #2]
CMP r0, #4
MOVEQ r3, #2
LDREQ pc, [r4,r3,LSL #2]
CMP r0, #1
MOVEQ r3, #3
LDREQ pc, [r4,r3,LSL #2]
DEFAULT
MOVEQ r0, #0
SWITCHEND
stop
MOV r0, #0x18
LDR r1, =0x20026
SWI 0x123456
JumpTable
DCD CASE1
DCD CASE2
DCD CASE3
DCD CASE4

DCD DEFAULT
CASE1
ADD r0, r1, r2
B SWITCHEND
CASE2
SUB r0, r1, r2
B SWITCHEND
CASE3
ORR r0, r1, r2
B SWITCHEND
CASE4
AND r0, r1, r2
B SWITCHEND
END
复制代码

  程序其实很简单,可见我有多愚笨!还是 简要介绍一下这段代码吧。首先用 AREA 伪代码加上 CODE, 表明下面引出的将是一个代码段 (于此相对的还有数据段 DATA) , ENTRY 和 END成对出现,说明他们之间的代码是程序的主体。start 段给寄存器初始化。ADR r4, JumpTable一句是将相当于数组的 JumpTable 的地址付给 r4这个寄存器。

  stop 一段是用来是程序退出的,第一个语句“MOV r0,#0x18”将 r0赋值为0x18,这个立即数对应于宏 angel_SWIreason_ReportException。表示 r1中存放的执行状态。语句“LDR r1,=0x20026”将 r1的值设置成 ADP_Stopped_ApplicationExit,该宏表示程序正常退出。然后使用SWI,语句“SWI 0x123456”结束程序,将 CPU 的控制权交回调试器手中。

  在 JumpTable 表中, DCD 类型的数组包含四个字, 所以, 当实现 CASE 跳转的时候, 需要将给出的索引乘上4,才是真正前进的地址数。
在语句:

CMP r0,#num
BHS stop

  书上意思是: 如果 r0寄存器中的值比 num 大的话, 程序就跳转到 stop 标记的行。 但是,实际测试的时候,我发现如果 r0和 num 相等也能跳转到 stop 标记的行,也就是说只要 r0小于num 才不会跳转。

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