LV01-04-ARM汇编-01-ARM汇编基础

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本文主要ARM汇编基础知识的相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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ARM Architecture Reference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition ARM架构参考手册ARMv7-A和ARMv7-R版
Arm Generic Interrupt Controller Architecture Specification- version 3 and version 4 Arm通用中断控制器架构规范-版本3和版本4
ARM Generic Interrupt Controller Architecture Specification - Version 2.0 Arm通用中断控制器架构规范-版本2.0
ARM Cortex-A Series Programmer's Guide for ARMv7-A Cortex-A系列ARMv7-A编程指南

汇编相关可以参考《ARM® Architecture Reference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition 》的Chapter A5 ARM Instruction Set Encoding 部分。

一、CISC和RISC

根据指令复杂度来区分，所有 CPU 可以分为 2 类：

  • CISC 复杂指令集计算机， Complex Instruction Set Computer，比如x86
  • RISC 精简指令集计算机， Reduced Instruction Set Computing，比如ARM， RISC-V

比如，对于加法运算： a = a + b，它涉及 4 个步骤的操作：读出 a，读出b，计算 a+b，把结果写回 a。

（1）使用 CISC(复杂指令集计算机，比如 x86)提供的加法指令：只需要一条指令即可完成这 4 步操作。当然，这一个指令需要多个 CPU 周期才可以完成。
（2）而 RISC 不提供“一站式”的加法指令：需调用四条指令完成两数相加：内存 a 加载到寄存器，内存 b 加载到寄存器，两个寄存器中数相加，寄存器结果存入内存 a。

ARM 芯片属于精简指令集计算机(RISC： Reduced Instruction SetComputing)，它所用的指令比较简单，有如下特点：

（1）对内存只有读、写指令。

（2）对于数据的运算是在 CPU 内部实现。

（3）使用 RISC 指令的 CPU 复杂度小一点，易于设计 。

二、为什么要学习汇编？

为什么要学ARM汇编？

我们在学习 STM32的时候几乎没有用到过汇编，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，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，那就看我们能在哪一步把 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。

官方文档？

我们在 ARM 的官网上可以找到很多的芯片手册以及编程指南，关于这篇笔记中的 ARM 指令，我们可以参考这篇文档：《ARM Architecture Reference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition》的 A4 章节，我们可以在这一章节系统的了解到 Cotex-A7 的所有汇编指令。我使用的开发板使用的 Cotex-A 系列的 ARM 处理器，所以这份文档就可以了。

三、 GNU 汇编语法

1. 伪指令和伪操作

1.1 伪指令

伪指令( Pseudo Instruction )是用于对汇编过程进行控制的指令，该类指令并不是可执行指令，没有机器代码，只用于汇编过程中为汇编程序提供汇编信息。例如，提供如下信息：哪些是指令、哪些是数据及数据的字长、程序的起始地址和结束地址等。伪指令有 2 个特点：

（1）由于是伪“指令”，因而它只存在于汇编语言中。高级语言中不叫指令，叫语句；

（2）由于是“伪”指令，也即“假”指令，因而不是可执行指令，不会产生机器代码，不会占用 ROM 空间，只用于汇编过程中为汇编程序提供汇编信息。

1.2 伪操作

汇编语言程序语句除指令以外还可以由伪操作和宏指令组成。伪操作不像机器指令那样是在程序运行期间由 CPU 来执行的，它是在汇编程序对源程序汇编期间由汇编程序处理的操作，它们可以完成如数据定义、分配存储区、指示程序结束等功能。

2. 汇编语法格式

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：

1
label: instruction @ comment

【语句说明】

  • label ：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 ：指令，也就是汇编指令或伪指令。

  • @ ：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 ：就是注释的内容了。

【注意】

（1） 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。

（2）汇编指令每行结束不需要带 ; 或者其他任何符号。

3. 预定义段

我们可以使用以下伪操作来定义一个段：

1
.section .UserSection @定义一个 UserSection段

在汇编系统中预定义了一些段名：

.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。

4. 汇编的开始与结束

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，一般还是使用 _start 作为入口标号，下边就是一个完整的 GNU 汇编程序开始与结束的格式：

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.text				@ 表示当前段为代码段 
.global _start		@ 声明_start为全局符号
_start:				@ 汇编程序的入口

	@ 中间这里是我们要写的指令
	
STOP:				@ 死循环，防止程序跑飞
	B STOP
	
.end				@ 汇编程序的结束

5. GNU 函数语法

5.1 函数语法

在汇编中同时也支持函数的定义使用，一般定义格式如下：

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函数名 : 
	函数体
	返回语句

【注意】 GNU 汇编函数返回语句不是必须的。

5.2 使用实例

点击查看实例 
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/* 未定义中断 */ 
Undefined_Handler:                 @ 函数名
	LDR R0, = Undefined_Handler    @ 函数体
	BX R0                          @ 返回语句，并非必须

四、汇编与机器码

1. 从一个例子开始

前面我们有这么一张图：

image-20230719203508088

数值 a 原来是保存在内存里的，执行了某条指令后，它的值被读入内存，那问题来了：

  • （1）什么指令，可以让 CPU 从内存里把数据读进来？

例如：

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mov r3, #addr_a   @把变量 a 的地址传给 CPU 寄存器 r3
ldr r0, [r3]      @从 r3 所指的内存把数值读进 CPU 寄存器 r0
  • （2）读进来后，这个数保存在哪里？

保存在 CPU 内部，存在某个寄存器里，上面的代码用寄存器 r0 来保存该值。

  • （3）如何处理数据？

CPU 执行加法指令，比如： 

1
add r0, r0, r1  @在 CPU 内部， r0=r0+r1
  • （4）最终数据怎么写入内存？

CPU 执行指令，比如 ：

1
str r0, [r3]  @将 r0 的值写入 r3 所指的内存

2. 指令是什么？

上面例子中， mov、 add、 ldr、 str 等都是汇编指令，或者说它们是“助记符”──也就是帮助我们记忆的。这些指令其实是一个一个数值，我们去记这些数值有难度，所以就用 mov、 add 表示不同指令对应的数值。在下面的表格中， op1 对应bit[27:25]，不同的 op1 对应不同的指令。我们就用 mov、 add等等来表示这些值。

需要注意的是， op1 只是指令，它只占据 3 位(bit[27:25])，一条完整的指令还需要更多参数。比如“ mov r1, r0”里面的 r1、 r0 就是参数。这些参数也是保存在同一个 32 位数里。这个 32 位数值就是机器码，即汇编指令是机器码的助记符。 ARM 指令机器码是有一定格式（对于ARM的Cotex-A7系列的指令编码格式可以看这篇文档《ARM Architecture Reference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition》的A5章节），如下：

image-20230721190130743

举个例子？我们后边编译完程序，可能会得到反汇编文件，里边将会包含机器码与汇编指令的对应关系，如：

image-20230721190407864

3. 汇编的执行

这里举两个例子，一个是MOV，一个是BL。

3.1 MOV指令

我们以MOV指令为例，MOV 指令： Move register or constant，把某个寄存器的值移给另一个寄存器，或是把一个常数移入寄存器。 有如下汇编指令：

1
mov r1, #10 @ 将 10 赋值给寄存器 r1，即 r1=10

执行过程如下：

image-20230721192654760

（1）取指： 假设从内存的 addrA 地址取机器码 e3a0100a（即 mov r1, #10 指令）

（2）译码： 原来是 MOV 指令

（3）执行： CPU 内部寄存器 R1 等于 10

机器码 e3a0100a， MOV 指令各位的解析如下：

image-20230721193017078

[31:28]位是条件码 0xe； [15： 12]位是寄存器 R1，即 0x1； [12:0]位是立即数（前边学习另一个课程的时候起始学过了） 10， 即 0x00a

3.2 BL指令

BL 指令： Branch with Link，跳转并把返回地址记录在 LR 寄存器里。 例如

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bl test_tag
mov r1, #10

test_tag:
	mov r3, #0
	mov pc, lr

第 1 行，跳转到 test_tag 标签处执行“mov r3, #0”指令，并且将下一条指令即“mov r1, #10”指令的地址存储到 LR 寄存器。

第 6 行，返回到“ mov r1, #10”指令地址，并且执行“ mov r1, #10”指令指令执行过程，如下：

image-20230721202213081

（1）CPU 从内存的 addrA 地址取机器码 eb000000（即“bl test_tag”指令），执行后， PC 跳转到 test_tag 标签位置，即内存的 addrA+8 地址，从上图可知，其实 test_tag 标签的地址是“mov r3, #0”指令的地址。同时自动将内存的 addrA+4 地址存储在寄存器 LR 中。

（2）CPU 从内存的 addrA+8 地址取机器码 e3a03000（即“mov r3, #0”指令），执行， CPU 内部寄存器 R3 等于 0。

（3）CPU 从内存的 addrA+12 地址取机器码 e1a0f00e（即“mov pc, lr”指令），执行， PC 跳转到内存的 addrA+4 地址。

（4）CPU 从内存的 addrA+4 地址取机器码 e3a0100a（即“mov r1, #10”指令），执行， CPU 内部寄存器 R1 等于 10其中，机器码 eb000000， BL 指令各位的解析可以查《ARM Architecture Reference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition》的A5章节。