嵌入式知识-学习笔记（2）：ARM汇编指令集与伪指令

嵌入式知识-学习笔记（2）：ARM汇编指令集与伪指令

首先说明一下指令和伪指令的区别：
指令：是CPU机器指令的助记符，经过编译后会得到一串由1、0组成的机器码，可以由 CPU读取执行。（是一种内容）
伪指令：本质上不是指令，是编译环境提供的，目的是用来指导编译过程，经过编译后伪指令最终不会生成机器码。（是一种工具）

一.ARM汇编的特点

ARM采用RISC架构，CPU本身不能直接读取内存（需要借助内部寄存器对外部内容进行读取。当要改变外部内存中的数据时，首先需要将外部内存中的数暂时读到内部寄存器并进行改写，再重新放回到外部内存中）。

因此在这之中需要有指令进行内存的读取任务：
ldr（load register）指令：将内存内容加载到通用寄存器。
str（store register）指令：将寄存器内容存入内存空间。
ldr和str组合使用来实现ARM CPU和内存数据交换。

1.ARM的8种寻址方式

ARM汇编在进行寄存器操作时，大概有8种寻址方式：

寻址方式	汇编语句	内容解析
寄存器寻址	mov r1,r2	将r2中的内容运送到r1中（这里r1和r2表示ARM中的寄存器）
立即寻址	mov r0,#0xFF00	将#后的16进制的数直接放到r0中
寄存器移位寻址	mov r0,r1,lsl #3	把r1左移3位（相当于乘8）后放到r0中
寄存器间接寻址	ldr r1,[r2]	[r2]表示一个内存地址，把该内存地址中的值赋给r1
基址变址寻址	ldr r1,[r2,#4]	[r2]的地址加上4的地址，把该地址的内容赋给r1
多寄存器寻址	ldmia r1!, {r2-r7,r12}	r1作为一个起始地址，将后面地址r2-r7,r12中的内容依次放在r1作为起始地址的地址中
堆栈寻址	stmfd sp!,{r2-r7,lr}	与上述类似，只不过放在堆栈中
相对寻址	beq flag:	：flag:标号用于标记标号后面那句指令的地址，常用来表示入口点，函数名就是一个标号，C语言中的goto就可以跳转到一个标号，在ARM汇编中用指令b flag:就可以跳转到flag:对应的标号处执行，和beq flag:是一样的，其原理是相对于PC程序位置寄存器做一个偏移。

2.指令后缀

B（byte）:功能不变，操作长度变为8位
H（half word）:功能不变，操作长度变为16位
S（signed）:功能不变，操作数变为有符号（如ldr,ldrb,ldrh,ldrsb,ldrsh）
S（S标志）:功能不变，影响CPSR标志位（如mov和movs）

3.条件执行后缀

1.条件后缀是否成立不是取决于本句代码，而是取决于之前代码运行后的结果。
2.条件后缀决定了本句代码是否被执行，而不会影响上一句和下一句代码是否被执行。

举例：

mov r0, r1 	 @相当于C语言中的r0=r1;
moveq r0, r1 @如果eq后缀成立，则直接执行mov r0, r1; 如果eq不成立则本句代码直接作废，相当于没有，类似于C语言中if(eq){r0=r1;}

条件后缀和CPSR的NZCV位相关，例如，如果上一句代码执行的结果将Z置为1，下一句带有eq条件后缀的语句就会被执行

4.多级指令流水线

1. 多级流水线用于增加处理器处理指令的速度，允许CPU同时异步的执行多条指令，而非顺序执行。
2. 多级可以简单那理解为把一条指令分为多个步骤来异步执行，例如：
   （1）CPU把一条指令分为[取址，解码，执行]3个步骤，则为3级指令流水线
   （2）第一条指令进行取值操作
   （3）第一条指令取值完毕，进入解码操作，第二条指令紧随其后就开始执行取值操作
   （4）第一条指令解码完毕，进入执行操作，第二条指令紧接着进入解码操作，同时第三条指令进入取值操作
   （5）第一条指令执行完毕，第二条指令进入执行操作，第三条指令进入解码操作，第四条指令进入取值操作，依次类推
3. 可见，多级流水线可以提高同时执行指令的数量，从而加速指令执行
4. 需要注意的是，PC指向的是正在取值的指令，而非正在执行的指令，之间的差值就是流水线级数和单字节长度的乘积，在中断返回到PC的时候需要注意这个问题

二.常用的ARM指令

1.数据处理指令

指令名称	汇编语句	内容解析
数据传输指令	mov mvn	(1) mov(move): mov r1,r0 @两个寄存器之间数据传递; (2) mov r1,#0xff @将立即数赋值给目标寄存器; (3) mvn和mov用法一样，区别是mov原封不动传递，而mvn是按位取反后传递。
算数指令	add sub rsb adc sbc rsc	add（加法运算） sub（减法运算） rsb（反减运算） adc（带进位的加法运算） sbc（带进位的减法运算） rsc（带进位的反减指令）
逻辑指令	and orr eor bic	and（逻辑与） orr（逻辑或） eor（逻辑异或） bic（位清除指令）
比较指令	cmp cmn tst teq	cmp（等价于sub r2,r0,r1(r2=r0-r1)） cmn（等价于add r0,r1） tst（对特定位进行操作） teq（对两个数进行异或）；比较指令不用加s后缀就可以影响spsr中的标志位
乘法指令	mvl mla umull umlal
前导零计数	clz	统计一个数的二进制位前面有几个0

2.cpsr访问指令

由于cpsr寄存器比较特殊，需要专门的访问指令：
mrs： 用来读cpsr
msr： 用来写cpsr
cpsr和spsr的区别： cpsr是程序状态寄存器，整个soc中只有一个，而spsr有5个，分别在5中异常模式下，作用是当进入异常模式时，用来保存之前普通模式下的cpsr，以在返回普通模式时恢复原来的cpsr。

3.跳转指令

b: 直接跳转。
bl（branch and link）： 跳转前把返回地址放入lr中，以便返回，以便用于函数调用。
bx： 跳转同时切换到ARM模式，一般用于异常处理的跳转。

4.访存指令

ldr： 加载指定内存地址的数据到寄存器，按照字节访问
str： 加载指定寄存器数据到内存地址中，按照字节访问
ldm： 和ldr功能一样，一次多字节多寄存器访问
stm： 和str功能一样，一次多字节多寄存器访问
swp： 内存和寄存器互换指令，一边读一边写，例如：
swp r1,r2,[r0]把r0地址中的数赋给r1，再把r2赋给r0地址中，相当于做了一个交换。

5.软中断指令

swi(software interrupt)：在软件层模拟产生一个中断，这个中断会传送给CPU，常用于实现系统调用

三.ARM汇编中的立即数

合法立即数： 经过任意位数的移位后非零部分可以用8位表示的即为合法立即数。
非法立即数： 不是合法即为非法。
举例：

0xff 是一个合法立即数，因为非零部分的ff可以用11111111来表示
0x000001ff 是一个非法立即数，1ff不能用8位来表示

四.协处理器与指令

1.协处理器

什么是协处理器？SOC内部另一处理核心，协助主CPU实现某些功能，被主CPU调用执行一定任务。
CPU中的寄存器都是以R开头的，协处理器中的寄存器都是以C开头的。

2.协处理器指令

mrc： 读取CP15中的寄存器
mcr： 向CP15中的寄存器写数据
指令用法：mcr{<”cond”>} p15,<”opcode_1”>,<”Rd”>,<”Crn”>,<”Crm”>,{<”opcode_2”>}
其中：opcode_1：对于CP15永远为0； Rd：ARM通用寄存器； Crn：CP15寄存器，取值范围c0~c15； Crm：CP15寄存器，一般为c0； opcode_2：省略或者为0。

3.ldm,stm和栈

ldr与str只能访问4个字节，当数据较大的时候，就会明显的降低效率，这时就需要使用到ldm和stm，ldm与stm是大量的从寄存器与内存交换数据的方式，常用于在内存和寄存器之间大量读取和写入数据。
ldm（load register multiple） ：读指令
stm（store register multiple）：写指令

后缀的使用：

• ia：increase after，后增加，表示每个操作的时候，先传输数据，后增加内存地址
• ib：increase before，先增加，表示在每个操作的时候，先增加内存地址，再进行数据传输
• da：decrease after：和ia一样，差别在于减少地址
• db：decrease before：和ib一样，差别在于减少地址
• fd：full decrease：满递减堆栈，查看栈的描述
• ed：empty decrease：空递减堆栈
• fa：满递增堆栈
• ea：空递增堆栈

操作栈时使用相同的后缀就不会出错

堆栈（栈）

• 空栈：栈指针指向空位，每次可以直接存入，然后栈指针(SP)递增或者递减1格，取的时候要递增或者递减1格才能取出
• 满栈：SP指向栈最后1格数据，存入的时候需要先移动1格才能存入，取的时候可以直接取出
• 增栈：SP向地址增加的方向移动
• 减栈：SP向地址减少的方向移动

4.汇编语言中的符号

ldmia r0,{r2 - r3}
ldmia r0!,{r2 - r3}

感叹号的作用是r0的值在ldm过程中发生的增加或减少最后写回到r0去，也就是说ldm时会改变r0的值。

ldmfd sp!,{r0 - r6, pc}
ldmfd sp!,{r0 - r6, pc}^

^的作用：在目标寄存器中有pc时，会同时将spsr写入到cpsr，一般用于从异常模式返回。

五.ARM汇编伪指令

1.GNU汇编符号

[@，#，//，/~/]： 注释，和C语言的//是一样的
:： 冒号，在汇编中以冒号结尾的是标号，标号标记标号后面的指令的地址
.： 点号，代表当前指令的地址，例如：[b .]指令会进入死循环
#： 立即数前面要加#或$，代表一个立即数(不区分进制)

2.常用GNU伪指令

.global_start： 给_start外部链接属性
.section .text： 指定当前段为代码段
.ascii .byte .short .long .word .quad .float .string： 定义各种类型的数据
.align 4： 以16字节对齐
.balignl 16 0x3C： b表示填充，align表示对齐，l表示long，以4字节为单位填充，16表示以16字节对齐，0x3C是用来填充的原料
.equ： 宏定义
.end： 表示一个文件的结束
.include： 用于包含头文件
.arm / .code32： 声明以下的代码是arm指令
.thumb / .code16： 声明以下的代码是thumb指令
举例：

（1）.ascii 等价于定义变量
（2）IRQ_STACK_START:
		.word  0x0badc0de
	等价于 unsigned int IRQ_STACK_START = 0x0badc0de;

3.重要的几个伪指令

ldr: 大范围的地址加载指令
adr: 小范围的地址加载指令
adrl: 中等范围的地址加载指令
nop: 空操作

ARM中有一个ldr指令，还有一个ldr伪指令，在一般情况下使用的是伪指令。
举例：

ldr指令： ldr r0, #0xff
伪指令：	 ldr r0, =0xff

adr和ldr的区别： ldr加载的地址在链接时确定，而adr加载的地址在运行时确定，所以我们可以通过adr和ldr加载的地址比较来判断当前程序是否在链接时指定的地址运行。