ARM 汇编基础知识

2023-11-12

1.为什么学习汇编？

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。

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。

2.GNU 语法

1.语法结构

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:

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。

for example:

add:           @标号
MOVS R0, #0X12 @指令:设置 R0=0X12

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。

2.section 伪操作

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。

也可以自己定义段，每个段以段名开始，以下一段名或者文件结尾结束

.section .testsection   @定义一个 testsetcion 段

3.汇编程序入口

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是伪操作，表示_start是全局标号*/
.global _start   
_start:
ldr r0, =0x12 @r0=0x12

类似C语言，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

for example:

/* SVC 中断 */
SVC_Handler:           @函数名
 ldr r0, =SVC_Handler  @函数体  
 bx r0                 @返回语句

3.Cortex-A7 常用汇编指令

3.1 处理器内部数据传输指令

常用：MOV、MRS 和 MSR

1.MOV指令

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
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

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！
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。
MSR CPSR, R0 @将 R0 中的数据复制到 CPSR 中，即 CPSR=R0

3.2 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。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。

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。

例如：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，代码：

 LDR R0, =0X0209C004 @将寄存器地址 0X0209C004 加载到 R0 中，即 R0=0X0209C004
 LDR R1, [R0] @读取地址 0X0209C004 中的数据到 R1 寄存器中，offset为0

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：

 LDR R0, =0X0209C004 @将寄存器地址 0X0209C004 加载到 R0 中，即 R0=0X0209C004
 LDR R1, =0X20000002 @R1 保存要写入到寄存器的值，即 R1=0X20000002
 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 。

3.3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

再跳回 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：

例如：将R0~R3、R12寄存器压栈操作，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：

由于32位处理器，每个寄存器为32位，占用4个字节，这里5个寄存器占用20个字节，转换为十六进制是0x14，需要在堆栈上分配连续的地址空间长度为0x14，

故SP指针的位置变化为：0x800000 - 0x14 = 0x7FFFFFEC

对 LR 进行压栈完成以后的堆栈模型如图：

这里使用LR寄存器来存放程序的返回地址，同理， LR寄存器（备份寄存器R14）占4个字节，

SP变化：0x7FFFFFEC-0X04 = 0X7FFFFFE8

接下来作出栈操作：

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!”。STM 和 LDM 就是多存储和多加载，可以连续的读写存储器中的多个连续数据。

3.4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。

一般常用的还是 B、BL 或 BX

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，例如：

_start : @入口标号

ldr sp ,= 0X80200000 @ 设置栈指针

b main @跳转到 main 函数跳转到 C 文件以后再也不会回到汇编了。

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，这是子程序调用的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。

3.5算术运算指令

掌握加法运算。

3.6逻辑运算指令

具体案例再补充。

参考：

《【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.6》

《 ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition.pdf》和《 ARM Cortex-A(armV7) 编程手册 V4.0.pdf 》

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