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嵌入式学习札记（基于STM32L431） 一、ARM Cortex-M4微处理器

2023-05-16

ARM Cortex-M4微处理器

  • 写在前面
  • ARM Cortex-M4微处理器简介
    • ARM Cortex-M4微处理器内部结构概要
      • 位数
      • 总线结构
      • 中断控制
      • 存储器保护
      • 低功耗
      • 内部寄存器
    • 寻址方式与机器码获取方法
      • 指令保留字简表与寻址方式
        • 指令保留字简表
        • 寻址方式
          • 立即数寻址
          • 寄存器寻址
          • 直接寻址
          • 偏移寻址及寄存器间接寻址
      • 机器的指令码
        • 运行源文件
        • 执行程序所获得的信息
    • 基本指令分类解析
      • 数据传送类指令
        • 取数指令
        • 存数指令
        • 寄存器间数据传送指令
    • 汇编语言的基本语法
      • 汇编语言的格式
        • 标号
        • 操作码
        • 操作数
        • 注释
      • 常用伪指令简介
        • 系统预定义的段
        • 常量的定义
        • 程序中插入常量
        • 条件伪指令
        • 文件包含伪指令
        • 其他常用伪指令

写在前面

本系列学习主要参照了王宜怀老师主编，清华大学出版社出版的《嵌入式技术基础与实践（第六版）》一书，有兴趣的可以自行购买，正版书籍附赠开发版供实验所需

ARM Cortex-M4微处理器简介

ARM Cortex-M4微处理器内部结构概要

具体介绍请参考书籍

位数

Cortex-M4系列处理器为32位处理器，内部存储器，数据总线均为32位，采用Thumb-2技术，同时支持16位与32位指令

总线结构

采用哈佛架构（感兴趣可以自行查阅），统一的存储空间编址，32位寻址，最多支持4GB的存储空间；三级流水线设计；片上接口基于AMBA架构

中断控制

采用了集成嵌套向量中断控制器（NVIC），支持8~256个中断优先级，最多240个中断请求

存储器保护

可选的MPU

低功耗

多种低功耗特性和休眠模式

内部寄存器

M4微处理器的寄存器包含用于数据处理与控制的寄存器、特殊功能寄存器与浮点寄存器。特殊功能寄存器有预定义的功能，必须通过专用指令来访问。

寄存器类型序号
低位寄存器R0~R7
高位寄存器R8~R12
SPR13
LPR14
PCR15
PSR（程序状态寄存器）特殊功能寄存器
PRIMASK、FAULTMASK、BASEPRI（异常屏蔽寄存器）同上
CONTROL（控制寄存器）同上

寻址方式与机器码获取方法

CPU可以执行特定功能的操作命令被称为指令
CPU所能执行的各种指令的集合，成为该CPU的指令系统

指令保留字简表与寻址方式

指令保留字简表

其他指令请查阅《ARM v7-M 参考手册》

类型保留字含义
数据传送类ADR生成与PC指针相关的地址
LDR、LDRH、LDRB、LDRSB、LDRSH、LDMIA将存储器中的内容加载到寄存器中
STR、STRH、STRB、STMIA将寄存器中的内容存储到存储器中
MOV、MVN寄存器间数据传送
PUSH、POP进栈出栈
数据操作类下为子类
算数运算类ADC、ADD、SBC、SUB、MUL加、减、乘指令
CMN、CMP比较指令
逻辑运算类AND、ORR、EOR、BIC按位与、或、异或、位段清零
数据序转类REV、REVSH、REVH反转字节序
扩展类SXTB、SXTH、UXTB、UXTH无符号扩展字节、有符号扩展字节
………………

寻址方式

立即数寻址

操作数直接通过指令给出。用“#”作为立即数的前导标识符。M4微处理器的立即数范围是0x00~-0xFF。例如：

	MOV 	R0, # 0xFF 		//立即数0xFF装入R0寄存器
	SUB		R1, R0, # 1		//R1←R0 - 1
寄存器寻址

操作数来自寄存器。例如：

	MOV 	R0, R1				//将R1寄存器内容装入R0寄存器
直接寻址

操作数来自存储单元，指令中直接给出存储单元地址。指令码中显示给出数据的位数，如：字、半字、单字节。例如：

	LDR 	Rt, label				//从标号label处连续读取4字节到寄存器中
	LDRH 	Rt, label				//从地址label处读取半字到Rt中
	LDRB 	Rt, label				//从地址label处读取字节到Rt中
偏移寻址及寄存器间接寻址

偏移寻址的操作数来自存储单元，指令中通过寄存器及偏移量给出存储单元的地址。偏移量不超过4KB。偏移量为0的偏移寻址也成为寄存器间接寻址。例如：

	LDR 	R3, [PC, # 100]			//从地址（PC+100）处读取4字节到R3中
	LDR 	R3, [R4]				//以R4中内容为地址，读取4字节到R3中

机器的指令码

运行源文件

利用开发环境打开工程…\CH02-1。测试代码如下：

Label：
	MOV	R0, # 0xDE
	LDR		R0, = data_format1
	LDR		R1, = Label
	LDR 	R2, [R1]
	BL		printf

执行结果如下图：
在这里插入图片描述

执行程序所获得的信息

从上图现实的内容可以看出，标号代表的地址为0900D87E，这就是指令MOV R0，# 0xDE机器码要存放的开放地址，各地址存储内容如下表：

地址0800D87E0800D87F0800D8800800D881
内容4FF0DE00

STM32数据存储采用的是小段模式，即将2个字节以上的一个数据的低字节放在存储器低地址单元，高字节放在高地址单元。

基本指令分类解析

数据传送类指令

有两种情况：一是取存储器地址空间中的数传送到寄存器中，二是将寄存器中的数传送到另一寄存器或存储器地址空间中

取数指令

编号指令说明
（1）LDR Rt, [< Rn | SP > {, #imm }]从地址{ SP/Rn + # imm}处，取字到Rt中，imm = 0, 4, 8, …, 1020
LDR Rt, [Rn, Rm]从地址Rn + Rm处读取字到Rt中
LDR Rt, label从标号label指定的存储器单元取数到寄存器，标号label必须在当前指令的-4~4KB范围内，且应4字节对齐
（2）LDRH Rt, [Rn {, #imm}]从地址{Rn + #imm}处，取半字到Rt中，imm = 0, 2, 4, …, 62
LDRH Rt, [Rn, Rm]从地址Rn + Rm处读取半字到Rt中
（3）LDRB Rt, [Rn {, #imm}]从地址{Rn + #imm}处，取半字到Rt中，imm = 0~31
LDRB Rt, [Rn, Rm]从地址Rn + Rm处读取字节到Rt中
（4）LDRSH Rt, [Rn, Rm]从地址Rn + Rm处读取半字到Rt中，并带符号扩展至32位
（5）LDRSB Rt, [Rn, Rm]从地址Rn + Rm处读取字节到Rt中，并带符号扩展至32位
（6）LDM Rt{ ! }, reglist从地址Rn处读取多个字， 加载到reglist列表寄存器中，每读一个字后Rn自增一次

存数指令

Rt，Rn，Rm必须为R0~R7中的一个

编号指令说明
（7）STR Rt, [< Rn | SP > {, #imm }]把Rt中的字存储到地址SP/Rn + #imm处，imm = 0, 4, 8，…, 1020
STR Rt, [Rn, Rm]把Rt中的字存储到地址Rn + Rm处
（8）STRH Rt, [Rn {, #imm}]把Rt中的低半字存储到地址SP/Rn + #imm处，imm = 0, 2, 4, …, 62
STRH Rt, [Rn, Rm]把Rt中的低半字存储到地址Rn + Rm处
（9）STRB Rt, [Rn {, #imm}]把Rt中的低字节存储到地址SP/Rn + #imm处，imm = 0~31
STRB Rt, [Rn, Rm]把Rt中的低字节存储到地址Rn + Rm处
（10）STM Rn!, reglist存储多个字到Rn处，每存一个字后Rn自增一次

寄存器间数据传送指令

编号指令说明
（11）MOV Rd, RmRd←Rm，Rd只可以是R0~R7
（12）MOVS Rd, # imm功能同MOV， 且影响N、Z标志
（13）MVN Rd, Rm将寄存器Rm中的数据取反，传送给寄存器Rd，影响N、Z标志

其他指令请参考书籍，在此不再罗列

汇编语言的基本语法

汇编语言源程序以行为单位进行设计，每行最多可以包含一下4部分

标号：操作码操作数注释

汇编语言的格式

标号

  1. 如果一个语句有标号，则标号必须书写在汇编语句的开头部分
  2. 可以组成标号的字符有字母A ~ Z、 a ~ z、数字0 ~ 9、下划线（_），美元符号（$），但开头的第一个符号不能为数字和 $
  3. 编译器对标号中字母的大小写敏感，但指令不区分大小
  4. 标号长度基本不受限制，但实际使用时通常不超过20个字符。
  5. 标号后必须带冒号（:）
  6. 一个标号在一个文件（程序）中只能被定义一次，否则出现重复定义，不能通过编译
  7. 一行语句只能有一个标号，编译器将把当前程序计数器的值赋给该标号

操作码

操作码包括指令码和伪指令。
对于有标号的行，必须至少用一个空格或制表符将标号与操作码隔开；对于没有标号的行，不能从第一列开始写指令码，应以空格或制表符开头。

操作数

操作数可以使地址，标号或指令码定义的常数，也可以是有伪运算符构成的表达式。
如果一条指令或伪指令有操作数，则操作数与操作码之间必须用空格隔开书写。操作数多于一个的，操作数之间用逗号分隔。操作数也可以是M4内部寄存器，或者另一条指令的特定参数。
操作数一般都有一个存放结果的寄存器，这个寄存器在操作数的最前面

1、常数标识
编译器识别的常数有十进制、十六进制（0x）、二进制（0b）
2、“#”表示立即数
一个常数前添加“#”表示一个立即数；不加“#”时，表示一个地址。
3、圆点
如果圆点（.）单独出现在语句操作码之后的操作数位置上，则代表当前程序计数器的值被放置在圆点的位置。
4、伪运算符
略。详情请查阅资料

注释

类似于C语言

常用伪指令简介

在CCS开发环境下，所有的汇编命令都是以“.”开头的

系统预定义的段

C语言程序在经过gcc编译器最终生成.elf格式的可执行程序。.elf可执行程序是以段为单位来组织文件的。通常划分为如下三个段：

	.text				@只读的代码区
	.data				@可读可写的数据区
	.bss				@是可读可写且没有初始化的数据区

常量的定义

常量的定义可以使用.equ汇编指令，例如：

	.equ	_NVIC_ICER,	0xE00E180
	...
	LDR		R0, = _NVIC_ICER				@将0xE00E180放到R0中

常量的定义还可以使用.set汇编指令，例如：

	.set 	_NVIC_ICER,	0xE00E180

程序中插入常量

插入数据的类型伪指令
字.word
半字.hword
字节.byte
字符串.ascii.asciz
		LDR R3, = NUMBER
		LDR R4, [R3]
		...
		LDR R0, = HELLO_TEXT
		BL	PrintText
		...
		ALIGN 4
	NUMBER:
		.word	0x123456789
	HELLO_TEXT:
		.asciz 	"hello\n"

条件伪指令

.if条件伪指令后面紧跟一个恒定的表达式，并且最后要以.endif结尾。中间如果有其他条件，可以用.else编写汇编语句。
.ifdef标号表示如果标号被定义，则执行下面的代码。

文件包含伪指令

	.include "filename"

其他常用伪指令

（1）.section：用户可以通过该指令来自定义一个段

	.section .isr_vector, "a"		@定义一个.isr_vector段，"a"表示允许段

（2）.global：用来定义一个全局符号

	.global	symbol

（3）.extern：.extern symbol 声明symbol为外部函数，调用时可以遍历所有文件找到该函数并使用

	.global	main
	bl		main

（4）.align：通过填充字节使当前位置满足一定的对齐方式
（5）.end：声明汇编文件的结束
其余详见《GNU汇编语法》

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