「正点原子Linux连载」第七章 ARM汇编基础

本帖最后由 正点原子运营官 于 2019-12-16 11:08 编辑

第七章 ARM汇编基础
       我们在学习STM32的时候几乎没有用到过汇编，可能在学习UCOS、FreeRTOS等RTOS类操作系统移植的时候可能会接触到一点汇编。但是我们在进行嵌入式Linux开发的时候是绝对要掌握基本的ARM汇编，因为Cortex-A芯片一上电SP指针还没初始化，C环境还没准备好，所以肯定不能运行C代码，必须先用汇编语言设置好C环境，比如初始化DDR、设置SP指针等等，当汇编把C环境设置好了以后才可以运行C代码。所以Cortex-A一开始肯定是汇编代码，其实STM32也一样的，一开始也是汇编，以STM32F103为例，启动文件startup_stm32f10x_hd.s就是汇编文件，只是这个文件ST已经写好了，我们根本不用去修改，所以大部分学习者都没有深入的去研究。汇编的知识很庞大，本章我们只讲解最常用的一些指令，满足我们后续学习即可。

       I.MX6U-ALPHA使用的是NXP的I.MX6UL芯片，这是一款Cortex-A7内核的芯片，所以我们主要讲的是Cortex-A的汇编指令。为此我们需要参考两份跟Cortex-A内核有关的文档：《ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition.pdf》和《ARM Cortex-A(armV7)编程手册V4.0.pdf》，第一份文档主要讲解ARMv7-A和ARMv7-R指令集的开发，Cortex-A7使用的是ARMv7-A指令集，第二份文档主要讲解Cortex-A(armV7)编程的，这两份文档是学习Cortex-A不可或缺的文档。在《ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition.pdf》的A4章详细的讲解了Cortex-A的汇编指令，要想系统的学习Cortex-A的指令就要认真的阅读A4章节。
       对于Cortex-A芯片来讲，大部分芯片在上电以后C语言环境还没准备好，所以第一行程序肯定是汇编的，至于要写多少汇编程序，那就看你能在哪一步把C语言环境准备好。所谓的C语言环境就是保证C语言能够正常运行。C语言中的函数调用涉及到出栈入栈，出栈入栈就要对堆栈进行操作，所谓的堆栈其实就是一段内存，这段内存比较特殊，由SP指针访问，SP指针指向栈顶。芯片一上电SP指针还没有初始化，所以C语言没法运行，对于有些芯片还需要初始化DDR，因为芯片本身没有RAM，或者内部RAM不开放给用户使用，用户代码需要在DDR中运行，因此一开始要用汇编来初始化DDR控制器。后面学习Uboot和Linux内核的时候汇编是必须要会的，是不是觉得好难啊？还要会汇编！前面都说了只是在芯片上电以后用汇编来初始化一些外设，不会涉及到复杂的代码，而且使用到的指令都是很简单的，用到的就那么十几个指令。所以，不要看到汇编就觉得复杂，打击学习信心。
7.1 GNU汇编语法如果大家使用过STM32的话就会知道MDK和IAR下的启动文件startup_stm32f10x_hd.s其中的汇编语法是有所不同的，将MDK下的汇编文件直接复制到IAR下去编译就会出错，因为MDK和IAR的编译器不同，因此对于汇编的语法就有一些小区别。我们要编写的是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汇编还有其它的伪操作，但是最常见的就是上面这些，如果想详细的了解全部的伪操作，可以参考《ARM Cortex-A(armV7)编程手册V4.0.pdf》的57页。
       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。
7.2 Cortex-A7常用汇编指令       本节我们将介绍一些常用的Cortex-A7汇编指令，如果想系统的了解Cortex-A7的所有汇编指令请参考《ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition.pdf》的A4章节。
7.2.1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7.2.1.1所示：

表7.2.1.1常用数据传输指令
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
7.2.2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7.2.1.2所示：

表7.2.1.2存储器访问指令
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7.2.2.1  LDR指令使用
1 LDR R0,=0X0209C004 @将寄存器地址0X0209C004加载到R0中，即R0=0X0209C004
2 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0X2000002，示例代码如下：
示例代码7.2.2.2  STR指令使用
1 LDR R0,=0X0209C004  @将寄存器地址0X0209C004加载到R0中，即R0=0X0209C004
2 LDR R1,=0X20000002  @R1保存要写入到寄存器的值，即R1=0X20000002
3 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。
7.2.3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。要想在跳回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：

表7.2.3.1压栈和出栈指令
       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：
图7.2.3.1压栈以后的堆栈
       图7.2.3.1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图7.2.3.2所示：
图7.2.3.2 LR压栈以后的堆栈
       图7.2.3.2就是分两步对R0~R3,R2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7.2.3.1 STMFD和LDMFD指令
1 STMFD SP!,{R0~R3, R12}    @R0~R3,R12入栈
2 STMFD SP!,{LR}              @LR入栈
3
4 LDMFD SP!,{LR}            @先恢复LR
5 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就是多加载和多存储，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。
7.2.4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，用法如表7.2.4.1：

表7.2.4.1跳转指令


       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7.2.4.1 B指令示例
1 _start:
2
3   ldr sp,=0X80200000   @设置栈指针
4   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7.2.4.2 BL指令示例
1 push {r0, r1}   @保存r0,r1
2 cps #0x13       @进入SVC模式，允许其他中断再次进去
3
5 bl system_irqhandler   @加载C语言中断处理函数到r2寄存器中
6
7 cps #0x12   @进入IRQ模式
8 pop {r0, r1}
9 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。
7.2.5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表7.2.5.1所示：

表7.2.5.1常用运算指令
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。
7.2.6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表7.2.6.1所示：

表7.2.6.1逻辑运算指令
       逻辑运算指令都很好理解，后面时候汇编配置I.MX6UL的外设寄存器的时候可能会用到，ARM汇编就讲解到这里，本节主要讲解了一些最常用的指令，还有很多不常用的指令没有讲解，但是够我们后续学习用了。要想详细的学习ARM的所有指令请参考《ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition.pdf》和《ARM Cortex-A(armV7)编程手册V4.0.pdf》这两份文档。