嵌入式系统入门篇3之ARM指令(UAL）

1. ARM存储器访问指令（在寄存器和存储器之间进行数据交换）

数据从存储器 -> 寄存器 加载 Loader LDR
数据从寄存器 -> 存储器 存储 Store STR

（1）指令格式：

LDR{cond} {S} {B/H} Rd, <地址>
STR{cond} {B/H} Rd, <地址>

cond：执行条件，不加cond是无条件执行
S：数据有扩展时，有符号数扩展符号位，无符号数扩展0。Signed把地址的那个变量，当作是一个有符号的，如果没有S就把地址的那个变量，当作是一个无符号的。短 -> 长的（B/H），有符号来说，高位全部补符号位，如果是无符号的，高位全部补0。
Rd：目的寄存器
<地址>：地址是必须要的
B/H：决定加载/存储多少个字节 Byte一个字节， H: Half word半字(两个字节), 如果省略，默认为4个字节。

LDR加载，把存储器<地址>中的内容加载到 寄存器Rd中
STR存储，把寄存器Rd中的内容，存储到存储器<地址>中去
小贴士： 没有任何指令能从存储器到存储器！只能先加载到寄存器再存储到存储器。

先看一段汇编指令：这段汇编是先在存储器0x20001000单元写入一个整数3，再将0x20001000单元的数值加2转到0x20001004
MOV R0,#3
LDR R1, =0x20001000
STR R0,[R1] ;寄存器间接寻址，将R0的内容存储到存储器地址为0x20001000的地址空间中
ADD R0,R0,#2
STR R0,[R1,#4]! ;将R0的内容存储到0x20001004的地址空间中

地址确定方式： 基址寄存器 + 偏移量（地址值肯定需要在一个寄存器中）
即：
—————————————————————————
[Rn, 偏移量]   Rn + 偏移量   Rn值不变
[Rn, 偏移量]!   Rn + 偏移量   Rn值+偏移量
[Rn], 偏移量      Rn     Rn值=Rn + 偏移量
[]内表示存储器的地址值 ，如果有!或偏移量在[]外边，则表示做完后，基址值自动增加偏移量。
偏移量有以下3种方式:
立即数:
如: LDR R1, [R0, #0x12]（[R0+0x12] -> R1）
寄存器：
如: LDR R1, [R0, R2]（[R0+R2] -> R1）
寄存器及移位常数：
如: LDR R1, [R0, R2, LSL #2]（[R0 + R2 << 2] -> R1）

练习：将c语言代码转换成汇编指令
char ch =0x80; //编译时刻或运行时刻，为ch分配一个存储器空间 0x2000 1000
int a; //编译时刻或运行时刻，为a分配一个存储器空间 0x2000 1004
a = ch;
汇编指令如下：
MOV R0,#0x80
LDR R1, =0x20001000
STRB R0,[R1] ;char是一个字节所以要加上B
LDRSB R2,[R1];char是有符号数扩展为32位要加上S扩展符号位
STR R2,[R1,#4]!
变式：char ch =0x80; =》unsigned char ch =0x80;
将上述汇编指令中的LDRSB R2,[R1];=》LDRB R2,[R1];即可

(2) 多寄存器存取：在一个连续的存储器地址上，进行多个寄存器的存取。

多寄存器加载 LDM Loader Multi
多寄存器存储 STM Store Multi

LDM{cond}<模式> Rn{!}, reglist
STM{cond}<模式> Rn{!}, reglist

note：
a. 这两条指令只是通过一个寄存器 Rn指定了一个存储器的地址， 存储器的多个地址，是连续增加，还是连续递减呢?由<模式>来指定:
注意：无论是哪种模式，低地址都是对应编号低的寄存器
IA: Incrememt After() 每次传送后地址自动增加(+4) <—–先传地址再增加
DB: Decrement Before 每次传送前地址自动减少(-4) <—–先减再传地址
IB: Increment Before 每次传送前地址先自动增加(+4)
DA：Decrement After 每次传送后地址自动减少(-4)
ARM Cortex M4只使用IA, DB
b. reglist: 表示寄存器列表，可以包含多个寄存器，使用”,”隔开，寄存器由小到大排列(编译系统会自动按序号排)
如： {R1,R3,R4,R5}或{R1,R3-R5}
c. ! 可加可不加
加： 表示最后存储器的地址写入到Rn中去。
不加： 最后Rn的值不变

任务：将R0-R3放到存储器单元0x20000200开始的递减连续单元存放，然后再恢复
MOV R0,#1
MOV R1,#2
MOV R2,#3
MOV R3,#4
LDR R4,=0x20001000
STMIA R4!, {R0-R3};将R0-R3寄存器的值存放在0x20001000开始递增的地址中，是传数据再增加。
MOV R0,#10
MOV R1,#20
MOV R2,#30
MOV R3,#40
LDMDB R4!, {R0-R3};将数据从存储器加载出来，先递减再传数据，即使前面的寄存器已经存值，一旦执行这条指令全部恢复为原来的值。

(3) 堆栈操作：堆栈的低地址对应编号低的寄存器
压栈: PUSH < reglist>
出栈: POP < reglist>
“栈”就是一块内存，上面那两条指令，并没有指定内存地址，PUSH, POP用的地址寄存器是SP（栈顶指针寄存器）。
堆栈有四种类型：
A: add 递增堆栈 D: Dec递减堆栈
SP堆栈 栈顶指针，栈顶指针可以保存元素 -> 满堆栈 Full；也可以指向空(不保存元素) ->空堆栈 Empty

		EA: 空递增
				PUSH X
					X -> [SP]
					sp ++
					
				POP  x
					sp--
					[sp] -> x
			
		FA: 满递增
				PUSH X
					sp ++
					x -> [SP]
					
				POP x
					[sp] -> x
					sp --
							
		ED: 空递减
				PUSH X
					x -> [sp]
					SP--
				POP x
					sp++
					[sp] -> x
			
			
		FD: 满递减     <----- ARM采用的堆栈形式是: FD满递减堆栈
				PUSH X
					sp--
					x -> [sp]
					
				POP x
					[sp] -> x
					sp++

上述汇编代码可以用PUSH和POP指令表示更为简洁：
MOV R0,#1
MOV R1,#2
MOV R2,#3
MOV R3,#4
PUSH {R0-R3} ;堆栈是满递减R3先入栈（减4再入栈）
MOV R0,#10
MOV R1,#20
MOV R2,#30
MOV R3,#40
POP {R0-R3} ;R0先出去（满的直接出去再加4）

具体进出栈细节如下：
PUSH X
  sp– //0x20000200
  x -> [sp]
  //PUSH {R0-R3}
   0x20000200-4 0x200001FC R3
          0x200001F8 R2
           0x200001F4 R1
          0x200001F0 R0
POP x
  [sp] -> x
  sp++
  //POP {R0-R3}
   //SP–0x200001F0 R0–>R1—>R2—>R3 SP 0x20000200

2. ARM数据处理指令-> 对寄存器内容操作

(1) 数据传送指令

MOV{cond}{S} Rd, operand2 ; Rd <– operand2
MVN{cond}{S} Rd, operand2 ; Rd <— ~operand2(取反)

用MOV R0,#-3指令时，机器内部会使用MVN指令
MOV R0,#-1 <==>MVN R0,#0

(2) 算术运算： 加减

ADD{cond}{S} Rd, Rn, operand2; Rd <— Rn + operand2
ADC{cond}{S} Rd, Rn, operand2; Rd <— Rn + operand2 + xPSR.C

SUB{cond}{S} Rd, Rn, operand2; Rd <— Rn – operand2
SBC{cond}{S} Rd, Rn, operand2; Rd <— Rn – operand2 – !xPSR.C 带借位的减法

RSB 逆向减法指令 Reserve
RSB{cond}{S} Rd, Rn, operand2; operand2 – Rn -> Rd
RSC{cond}{S} Rd, Rn, operand2; operand2 – Rn – !xPSR.C -> Rd 带借位的逆向减法

(3) 逻辑运算指令 (按位)

AND{cond}{S} Rd, Rn, operand2; AND 与， Rn & operand2 -> Rd 按位与
ORR{cond}{S} Rd, Rn, operand2; OR 或， Rn | operand2 -> Rd 按位或
EOR{cond}{S} Rd, Rn, operand2; EOR 异或 Rn ^ operand2 -> Rd 按位异或
任何数和1做与运算还是它本身，和0做与运算是0

BIt Clear 位清零，把一个指定寄存器的中，指定的bit位给清掉
BIC{cond}{S} Rd, Rn, operand2; Rn & (~operand2) -> Rd
把Rn中 operand2中的为1的哪些位置上的bit位清零。

练习1：R0 低4位清零
MOV R0,#-3
;AND R0,R0,#0Xfffffff0
BIC R0,R0,#0Xf
练习2：R0 第3 5 7位清零
MOV R0,#-3
BIC R0,R0,#(1<<3)|(1<<5)|(1<<7)
练习3：取寄存器R0中的b7-b10，赋值给R1（先左移7位再将高位清零）
MOV R0,#-3
MOV R1,R0,LSR #7
AND R1,R1,#0Xf

(4) 比较指令： 不需要加S,直接影响xPSR中的标志位，运算结果不保存。

CMP Rn, operand2; 比较Rn与operand2的大小 Rn – operand2
if Rn== operand2
CMP Rn, operand2
xPSR.Z== 1 => EQ
CMN Rn, operand2; 比较Rn与operand2的大小， Rn + operand2(负数比较)

TST Rn, operand2 ; Rn & operand2
用来测试Rn中特定的bit位是否为1，Rn & operand2 => xPSR.Z == 1
=> 说明operand2中为1的哪些bit的，在Rn都为0

TEQ Rn, operand2 ; Rn ^ operand2 测试是否相等
Rn== operand2 => Rn ^ operand2== 0 => xPSR.Z== 1

3.分支指令:用来实现代码的跳转

有两种方式可以实现程序的跳转
(1) 分支指令

B lable ; lable -> PC, 不带返回的跳转
BL lable ; 过程调用，函数调用带返回的把下一条指令的地址 -> LR lable -> PC

(2) 直接向PC寄存器赋值

MOV PC, LR
MOV PC, #0x80000000

4. 杂项指令

MRS Rd, xPSR 程序状态寄存器的值赋值给Rd
xPSR: APSR, IPSR, EPSR
MOVS R1,#-1
MRS R0,APSR ;R0==0x80000000

MSR xPSR, Rd 将通用寄存器Rd的值，赋值给程序状态寄存器

6.伪指令

伪指令,机器不识别，但是可以表示程序员或编译器的某种想要的操作。编译器会把伪指令变成一条或多条合适的机器指令。
(1) NOP：No Operation 空操作，不产生任何实际的效果，但是占用机器周期。

(2) LDR

LDR{cond} Rd, =expr
LDR伪指令用于加载表达式expr的值，到寄存器Rd中去。
expr可以为一个任意的常数，或标号，或常量表达式…
LDR Rd, =expr
a: 如果expr是一个合法的立即数
  LDR Rd, =expr
  <=> MOV Rd, #expr
b: 解决立即数不合规的问题，可以直接给出存储器的地址
  LDR R0,=0x12345678
  LDR R0,=0x20001000
c: 标号（地址）
（1）LDR Rd, =data1
  data1
    DCD 0x12345678
（2）int i=4;
  ;先定义数据段
    AREA mydata,DATA,READWRITE
  data_i
    SPACE 4
  ;标号指向数据空间的地址
    MOV R0,#4
    LDR R1,=data_i
    STR R0,[R1]

7.ARM程序设计

1. if/else 如何实现的

    if (a > b)
    {
    	c = 5;
    }
    else
    {
    	c = 6;
    }
    <=>
    a---R0  b---R1   c---R2	
   

   CMP R0, R1（影响标志位，不存放结果）
   MOVGT R2, #5 ;这条指令执行还是不执行，要等 “取指” -> 译码才确定这条指令是否满足条件！
   MOVLE R2, #6
   if 译码时发现 GT条件满足，则清空流水线，然后再取下一条指令
   or
   CMP R0, R1
   MOVLE R2, #6
   MOVGT R2, #5
   ps：指令是流水线执行的（取指令、解释指令和执行指令三个过程），当CMP在流水线的执行阶段时，MOVGT指令在解释阶段，分析出来不满足情况，则清空这条流水线，所以在写汇编指令时要把更有可能发生的写在前面。

   if ( likely(a > b) ) ;对结果预测
   {}
   else
   {}
   likely(x) :编译器的修饰词，告诉编译器，后面的这个表达式x很有可能成立
   unlikely(x):编译器的修饰词，告诉编译器，后面的这个表达式x不太可能成立
   编译器会优先取出相对应的指令

2. 循环是如何实现的

    for (i = 1, sum = 0; i <= 10;i++)
    {
    	sum = sum + i;
    }		
    =>
    	初始条件 i--R0==1,sum--R1==0
    	循环条件：R0<=10  ---CMP R0,#10 LE 就执行循环 GT跳出循环 (到结束的地方lable) B 
    	循环体：用两个标号，分别标识循环体的开始和结束，只用一个标号也可以，标识循环体的开始。
   

   上述代码汇编指令如下：
     MOV R0,#1 ;i
     MOV R1,#0 ;sum
   loop_sum
     CMP R0,#10
     BGT loop_sum_end
     ADD R1,R1,R0
     ADD R0,R0,#1
     B loop_sum
   loop_sum_end

   练习：计算100以内所有的偶数之和。
     MOV R0,#2 ;i
     MOV R1,#0 ;sum
   loop_sum
     CMP R0,#100
     BGT loop_sum_end
     ADD R1,R1,R0
     ADD R0,R0,#2
     B loop_sum
   loop_sum_end

3. 过程调用(函数调用)如何实现
   ATPCS: ARM/Thumb Procedure Call Standard ARM/Thumb过程调用标准ARM定的.
   记住:过程调用就是这样

   label PROC
     PUSH（保护现场:保护除了传参之外的所有寄存器R0-R12）
    （看你的）
     POP（恢复现场）
     ENDP

   过程调用：两个数相加
   test_start PROC
     MOV R0,#5 ;参数会自动放在R0,R1寄存器中
     MOV R1,#6
     BL sum_two
     B .
     ENDP
   sum_two PROC
     PUSH {R2-R12,LR} ;LR链接寄存器存放返回的地址
     ADD R0,R0,R1
     POP{R2-R12,PC} ;把链接寄存器的值（返回地址B .的地址）给PC
     ENDP
     END

   理解难点在这里
   (1)入口参数传送用 R0, R1,R2, R3,如果超过4个参数，后面的参数需要放到栈空间。
   R0:对应第一个参数 R1:第二个参数……
   (2) 函数的返回值放在R0寄存器里,如果是64bits，用R1（高32位） R0.超过64bits的返回值，不支持;
   提醒：R0是返回值，所以在实现过程中，你要记住R0不要乱用。
   (3) 函数实现
   “现场保护” PUSH R0-R12 LR
   Reglists -> 栈 PUSH {寄存器列表}
   传递参数的那几个寄存器你不需要保护, 因为那几个寄存器本身就是传递给你用的，你无须保护。
   建议： 非参数寄存器(除了SP,PC)都要保存

   假设你的过程参数用R0,R1
   PUSH {R2-R12,LR}
   “现场恢复” POP
   POP {R2-R12, PC}
   LR也要保存，否则，在过程中，就不能调用其他过程啦。

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