【ARM芯片的启动程序】汇编学习

文章目录

• • 前言
  • 一、程序状态寄存器
  • 二、立即数(imm)的概念
  • 三、汇编指令
  • • mov指令
    • add指令
    • sub指令
    • ldr指令
    • str指令
    • bic指令
    • orr指令
    • CMP指令
    • b指令
  • 四、s后缀
  • 五、ARM CPSR 常用条件码
  • 六、栈的分类
  • 七、汇编和C语言混合编程
  • • 7.1 汇编调用C函数
    • 7.2 C调用汇编函数
  • 八、切换处理器工作模式为USER模式

前言

由于使用arm芯片时，其本身是不能直接使用C语言环境进行程序设计的，所以我们需要简单学习汇编指令来编写arm芯片的启动程序，使其能够使用C环境，即启动代码启动以后，引导程序到C语言环境下运行。换句话说启动代码的目的是为了在处理器复位以后搭建 c 语言最基本的需求。

一、程序状态寄存器

二、立即数(imm)的概念

8位、10位、12位

立即数的判断：

例：

• 0x234 = 0000 0000 0000 0000 0000 0010 0011 0100 最高位1至最低位1之间的二进制数序列：1000 1101没有超过8位 末尾1的右边有2个0，所以0x234是立即数

• 0x3f4 = 0000 0000 0000 0000 0000 0011 1111 0100 最高位1至最低位1之间的二进制数序列：1111 1101 从第一个1开始到最后一个1之间没有超过8位 末尾1的右边有2个0，所以0x3f4是立即数

• 0x132 = 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0011 0010 最高位1至最低位1之间的二进制数序列：1001 1001 从第一个1开始到最后一个1之间没有超过8位 末尾1的右边有1个0，不满足第二条，所以0x132不是立即数

• 0x7f8 = 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1111 1000 最高位1至最低位1之间的二进制数序列：1111 1111从第一个1开始到最后一个1之间没有超过8位 末尾1的右边有3个0，不满足第二条，所以0x7f8不是立即数

• 0xfab4 = 0000 0000 0000 0000 1111 1010 1011 0100 最高位1至最低位1之间的二进制数序列：0011 1110 1010 1101 从第一个1开始到最后一个1之间超过8位，不满足条件1，所以这个数不是立即数

ARM 指令机器码只有12bit 用来存立即数，放不下完整 32 位数字，拆成两部分：

最终 32 位立即数 = imm8 循环右移 2×rotate 位（移位步数永远是偶数：0、2、4 … 30 位。） 如上图：ADD R0, R1, #0xFA00 ; 合法，汇编器算出rotate=12 imm8=0xFA，填入机器码12bit

三、汇编指令

mov指令

加载12位立即数到寄存器或转移一个寄存器的值到另外一个寄存器； MOV{S}<c> <Rd>, #<const>

例： mov r0, #2 ；加载立即数2到寄存器r0

MOV{S}<c> <Rd>, <Rm>

例： mov r1, r0 ；将r0寄存器的值加载到r1

add指令

ADD{S}<c> <Rd>, <Rn>, #<const>

例： ADD R0, R1, #1 ; R0 = R1 + 1，不更新标志 ADDS R0, R1, #0xFF ; R0 = R1 + 0xFF，更新N/Z/C/V

ADD{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>{, <shift>}

例： ADD R0, R1, R2 ; R0 = R1 + R2 ADD R0, R1, R2, LSL #2 ; R0 = R1 + (R2 << 2)

sub指令

SUB{S}<c> <Rd>, <Rn>, #<const>

例： SUB R0, R1, #5 ; R0 = R1 − 5，不更新标志 SUBS R0, R1, #0x10 ; R0 = R1 − 0x10，更新N/Z/C/V

SUB{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>{, <shift>}

例： SUB R0, R1, R2 ; R0 = R1 − R2 SUB R0, R1, R2, LSL #1 ; R0 = R1 − (R2 << 1)

ldr指令

功能1：将非立即数加载到通用寄存器 LDR{<c>}{<q>} <Rt>, <label>

例：如ldr r0, =0x2FAB4

功能2：将RAM中的数据加载到通用寄存器 LDR<c> <Rt>, [<Rn>{, #+/-<imm12>}]

例：ldr r0，[r1，＃4]；将内存地址为R1+4的字数据读入寄存器R0

LDR<c> <Rt>, [<Rn>], #+/-<imm12>

例：ldr r0, [r1], #8 ;将内存地址R1的字数据读入r0,之后r1+8

LDR<c> <Rt>, [<Rn>, #+/-<imm12>]!

例：LDR R0，[R1，＃8] ！ ；将存储器地址为R1+8的字数据读入寄存器R0，并将新地址R1＋8写入R1。

str指令

将通用寄存器中的值写入到RAM中

str r1, [r0] ;*r0 = r1
str r1, [r0, #4] ;*(r0 + 1) = r1
str r1, [r0], #4 ;*r0++ = r1
str r1, [r0, #4]! ;*++r0 = r1

bic指令

将某个通用寄存器清零（操作数中为bit1的位清0)，清0结果写回到通用寄存器。 BIC{S}<c> <Rd>, <Rn>, #<const>； 将rn中的字数据const为1的比特清零，把结果放入rd。

例： mov r0, #0xff bic r0, #1 此时r0中的值为0xfe

orr指令

将某个通用寄存器置1（操作数中为bit1的位置1)，置1结果写回到通用寄存器

例： mov r0, #0 orr r0, #(1 << 6) ;0100 0000 此时r0中的值为0100 0000。

CMP指令

比较两个寄存器的值或者比较一个寄存器和立即数的值，其原理是对待比较的两个数求差，看结果是否为0，这个指令会无条件修改N,V,C,Z位。

例： mov r0, #100 cmp r0, #100 会导致Z置位，从条件码表可知，只要Z置位就是两数相等。

b指令

实现无条件跳转； b指令条件分支 b指令循环 b函数调用 bl指令：函数跳转前，会将函数返回地址保存到lr寄存器； bx指令：bx lr 等价于mov pc, lr，bx指令加一个地址。

使用示例：

四、s后缀

汇编指令的 s 后缀，几乎所有的汇编指令都可以在指令后面加上 s 后缀，s 后缀的含义是在指令执行过程中会更新 cpsr 寄存器的 N,V,C,Z 位。

例：

• ADDS R3,R0,R1 ; R3 = 0，带S，更新标志：Z=1，C=1
• SUBS R3,R0,R1 ; R3 = 0xFFFFFFFB，带S更新标志; 结果负数 N=1；发生借位 C=0；无符号溢出V=0；Z=0
• …

五、ARM CPSR 常用条件码

例：

• CMP R0, R1 ; R0‑R1，更新标志，Z=1 ADDEQ R2, R2, #1 ; ✅条件成立，R2 = R2 +1

• cmp r0, r1 blt lable1 bgt lable2 执行 R0‑R1 的运算并更新 CPSR 状态标志，不保存运算结果；blt lable1为有符号小于条件跳转，若满足有符号 R0＜R1（N≠V），就跳转到 lable1；bgt lable2为有符号大于条件跳转，若满足有符号 R0＞R1（N==V 且 Z=0），就跳转到 lable2；

六、栈的分类

满栈/空栈（是一种结构，不是传统字面意思的满空）：根据栈顶所在位置是否存有元素确定。 栈顶所在位置一直存有元素称为满栈，先移动栈顶再存入数据； 栈顶所在位置一直没有元素称为空栈，先存入数据再移动栈顶。

增栈/减栈：根据栈的生长方向确定。 入栈数据时，栈顶向内存高地址移动，称为增栈； 入栈数据时，栈顶向内存低地址移动，称为减栈，

注意：ARM中的栈结构为：满减栈。

七、汇编和C语言混合编程

汇编调用C函数C调用汇编函数

7.1 汇编调用C函数

汇编和C语言混合编程(汇编调用C函数C调用汇编函数) 汇编如何向c语言传参: C语言将函数运行结果返回给R0寄存器 当参数小于等于4个时，通过通用寄存器进行传参(R0-R3)

当参数超过4个时，必须通过栈进行传参(入栈保护出栈恢复)

7.2 C调用汇编函数

C语言向汇编函数传参，参数会被保存到通用寄存器汇编函数的结果通过R0寄存器返回给C语言

八、切换处理器工作模式为USER模式

1.将cpsr寄存器中的值读到R0寄存器 2.将R0寄存器中的值修改为10000 3.将R0寄存器中的值写回到cpsr寄存器 mrs指令:读取某个特殊寄存器(cpsr)的值到通用寄存器 msr指令:将通用寄存器中的值写入到特殊寄存器(cpsr)

例： MRS , <spec_reg> mrs r0, cpsr MSR<spec_reg>, msr cpsr, r0