9 ARM汇编基础

9.1 完整概念讲解

9.1.1 为什么需要汇编

Cortex-A 系列芯片上电后，SP 指针未初始化，C 语言运行环境尚未建立，无法直接执行 C 代码。必须先用汇编完成以下工作：

初始化 DDR 控制器（芯片内部 RAM 不开放给用户代码时）
设置 SP 指针（栈顶地址）
初始化其他必要外设

当汇编把 C 环境设置好后，才跳转到 C 语言的 main 函数。这与 STM32 的启动文件 startup_stm32f10x_hd.s 原理相同，只是 STM32 的启动文件由 ST 写好，开发者无需修改。

参考文档：

《ARM Architecture Reference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition.pdf》— A4 章讲解全部指令
《ARM Cortex-A(armV7)编程手册 V4.0.pdf》— 编程模型与寄存器说明

9.1.2 GNU 汇编语法

MDK 和 IAR 的汇编语法不同，不能直接移植。本教程使用 GCC 交叉编译器，汇编代码必须符合 GNU 语法。

基本格式：

label：instruction @comment

label：标号，表示地址位置，以 : 结尾
instruction：汇编指令或伪操作
@：注释符号（也可用 /* */）

大小写规则：指令、伪操作、寄存器名可全大写或全小写，但不能混用。

段定义伪操作

伪操作	含义
`.text`	代码段
`.data`	已初始化数据段
`.bss`	未初始化数据段
`.rodata`	只读数据段
`.section`	自定义段

.section .testsection  @ 定义自定义段

常用伪操作

伪操作	用法示例	含义
`.byte`	`.byte 0x12`	定义单字节数据
`.short`	`.short 0x1234`	定义双字节数据
`.long`	`.long 0x12345678`	定义 4 字节数据
`.equ`	`.equ num, 0x12`	赋值（num = 0x12）
`.align`	`.align 4`	4 字节对齐
`.end`	`.end`	源文件结束
`.global`	`.global _start`	定义全局符号

函数格式

函数名:
    函数体
    返回语句       @ 非必须

示例——Cortex-A7 中断服务函数：

/* 未定义中断 */
Undefined_Handler:
    ldr r0, =Undefined_Handler
    bx  r0

/* SVC 中断 */
SVC_Handler:
    ldr r0, =SVC_Handler
    bx  r0

/* 预取终止中断 */
PrefAbort_Handler:
    ldr r0, =PrefAbort_Handler
    bx  r0

9.1.3 数据传输指令

处理器内部数据传输的三种场景：

场景	指令
寄存器 → 寄存器	`MOV`
特殊寄存器（CPSR/SPSR）→ 通用寄存器	`MRS`
通用寄存器 → 特殊寄存器	`MSR`

MOV 指令

将数据从一个寄存器拷贝到另一个寄存器，或加载立即数到寄存器。

MOV R0, R1          @ R0 = R1
MOV R0, #0x12       @ R0 = 0x12

MRS 指令

读取特殊寄存器（CPSR / SPSR）的值到通用寄存器。读特殊寄存器只能用 MRS。

MRS R0, CPSR        @ R0 = CPSR

MSR 指令

将通用寄存器的值写入特殊寄存器。写特殊寄存器只能用 MSR。

MSR CPSR, R0        @ CPSR = R0

9.1.4 存储加载指令

ARM 不能直接访问存储器（包括寄存器映射的 RAM），需要通过 LDR/STR 指令间接访问。

指令	描述
`LDR Rd, [Rn, #offset]`	从存储器 `Rn+offset` 读取数据到 `Rd`
`STR Rd, [Rn, #offset]`	将 `Rd` 的值写入存储器 `Rn+offset`
`LDRB Rd, [Rn, #offset]`	按字节读取
`STRB Rd, [Rn, #offset]`	按字节写入
`LDRH Rd, [Rn, #offset]`	按半字（16 位）读取
`STRH Rd, [Rn, #offset]`	按半字写入

LDR 指令详解

LDR 有两种用法：

@ 用法1：从存储器加载数据到寄存器
LDR R0, =0x0209C004      @ 将地址 0x0209C004 加载到 R0（立即数用 =）
LDR R1, [R0]             @ 从地址 0x0209C004 读取数据到 R1

@ 用法2：加载立即数到寄存器
LDR R0, =0x12345678      @ R0 = 0x12345678

关键区别：加载立即数用 =，加载地址值也用 =；加载寄存器中存储的地址指向的数据用 []。

STR 指令详解

@ 配置 GPIO1_GDIR 寄存器（地址 0x0209C004）的值为 0x20000002
LDR R0, =0x0209C004      @ R0 = 寄存器地址
LDR R1, =0x20000002      @ R1 = 要写入的值
STR R1, [R0]             @ 将 R1 写入 R0 指向的地址

9.1.5 压栈出栈指令

函数调用时需要保存/恢复寄存器状态（现场保护/恢复现场），使用 PUSH 和 POP 指令。

指令	描述
`PUSH <reg list>`	将寄存器列表压入栈中
`POP <reg list>`	从栈中恢复寄存器列表
`STMFD SP!, <reg list>`	PUSH 的另一种写法
`LDMFD SP!, <reg list>`	POP 的另一种写法

压栈示例

@ 将 R0~R3 和 R12 压栈
PUSH {R0~R3, R12}

@ 将 LR 压栈
PUSH {LR}

堆栈变化示意（SP 初始值 0x80000000，向下增长）：

高地址
0x80000000  ┌─────────┐
            │  (空)    │ ← 压栈前 SP
0x7FFFFFEC  ├─────────┤
            │   R12    │
            │   R3     │
            │   R2     │
            │   R1     │
            │   R0     │ ← PUSH {R0~R3,R12} 后 SP
0x7FFFFFE8  ├─────────┤
            │   LR     │ ← PUSH {LR} 后 SP
低地址

出栈示例

出栈顺序必须与压栈相反：

POP {LR}                @ 先恢复 LR
POP {R0~R3, R12}        @ 再恢复 R0~R3, R12

STMFD / LDMFD 写法

PUSH 和 POP 是 STMFD / LDMFD 的简化写法：

STMFD SP!, {R0~R3, R12}    @ 等价于 PUSH {R0~R3, R12}
STMFD SP!, {LR}

LDMFD SP!, {LR}            @ 等价于 POP {LR}
LDMFD SP!, {R0~R3, R12}

FD = Full Descending（满递减）：ARM 使用 FD 类型堆栈，SP 指向最后一个入栈值，堆栈由高地址向低地址增长。STM / LDM 是多存储/多加载指令，可一次操作多个连续数据。

9.1.6 跳转指令

指令	描述
`B <label>`	跳转到 label（范围 ±2KB，用 `B.W` 可扩大到 32 位）
`BX <Rm>`	间接跳转到 `Rm` 中的地址，并切换指令集
`BL <label>`	跳转到 label，并将返回地址保存到 LR
`BLX <Rm>`	跳转到 `Rm` 指定地址，保存返回地址到 LR，并切换指令集

B 指令——不保存返回地址

用于不需要返回的跳转，例如汇编初始化完成后跳转到 C 的 main 函数：

_start:
    ldr sp, =0x80200000     @ 设置栈指针
    b main                   @ 跳转到 main，不再返回

BL 指令——保存返回地址

用于函数调用，跳转前自动将当前 PC 值保存到 LR（R14）：

push {r0, r1}               @ 保存 r0, r1
cps #0x13                   @ 进入 SVC 模式
bl  system_irqhandler       @ 调用 C 语言中断处理函数
cps #0x12                   @ 进入 IRQ 模式
pop {r0, r1}
str r0, [r1, #0x10]         @ 写 EOIR，中断处理完成

选择原则：需要返回原处用 BL，跳转后不返回用 B。

9.1.7 算术运算指令

指令	公式	说明
`ADD Rd, Rn, Rm`	`Rd = Rn + Rm`	加法
`ADD Rd, Rn, #immed`	`Rd = Rn + #immed`	立即数加法
`ADC Rd, Rn, Rm`	`Rd = Rn + Rm + C`	带进位加法
`SUB Rd, Rn, Rm`	`Rd = Rn - Rm`	减法
`SUB Rd, Rn, #immed`	`Rd = Rn - #immed`	立即数减法
`SBC Rd, Rn, Rm`	`Rd = Rn - Rm - !C`	带借位减法
`MUL Rd, Rn, Rm`	`Rd = Rn * Rm`	乘法（32位）
`UDIV Rd, Rn, Rm`	`Rd = Rn / Rm`	无符号除法
`SDIV Rd, Rn, Rm`	`Rd = Rn / Rm`	有符号除法

嵌入式开发中最常用的是加减指令，乘除基本用不到。

9.1.8 逻辑运算指令

指令	公式	说明
`AND Rd, Rn, Rm`	`Rd = Rn & Rm`	按位与
`AND Rd, Rn, #immed`	`Rd = Rn & #immed`	立即数与
`ORR Rd, Rn, Rm`	`Rd = Rn	Rm`
`ORR Rd, Rn, #immed`	`Rd = Rn	#immed`
`BIC Rd, Rn, Rm`	`Rd = Rn & (~Rm)`	位清除
`BIC Rd, Rn, #immed`	`Rd = Rn & (~#immed)`	立即数位清除
`ORN Rd, Rn, #immed`	`Rd = Rn	(~#immed)`
`EOR Rd, Rn, Rm`	`Rd = Rn ^ Rm`	按位异或
`EOR Rd, Rn, #immed`	`Rd = Rn ^ #immed`	立即数异或

逻辑运算指令常用于配置 I.MX6UL 外设寄存器时的位操作。

9.2 核心API/语法

寄存器说明

Cortex-A7 有 16 个 32 位通用寄存器（R0-R15）和 2 个特殊状态寄存器：

寄存器	别名	用途
R0-R3		参数传递 / 返回值（AAPCS 调用约定）
R4-R10		通用变量，被调用者保存
R11	FP	帧指针（可选）
R12	IP	过程间调用暂存
R13	SP	栈指针，指向当前栈顶
R14	LR	链接寄存器，保存子程序返回地址
R15	PC	程序计数器，当前正在执行的指令地址
CPSR		当前程序状态寄存器（标志位、中断使能、处理器模式）
SPSR		保存的程序状态寄存器（异常返回时恢复 CPSR）

CPSR 各位含义

31  30  29  28  ...  7  6  5  4  3  2  1  0
 N   Z   C   V       I  F  T  M4 M3 M2 M1 M0
                                 └──处理器模式──┘

位	名称	含义
N	负数	运算结果为负置 1
Z	零	运算结果为零置 1
C	进位	加法进位 / 减法借位
V	溢出	有符号运算溢出置 1
I	IRQ	1 = 禁止 IRQ 中断
F	FIQ	1 = 禁止 FIQ 中断
T	Thumb	0 = ARM 状态，1 = Thumb 状态
M[4:0]	模式	处理器模式（SVC=10011, IRQ=10010 等）

指令速查表

类别	指令	语法
数据传输	MOV / MRS / MSR	`MOV Rd, Operand2`
存储加载	LDR / STR / LDRB / STRB	`LDR Rd, [Rn, #offset]`
压栈出栈	PUSH / POP / STMFD / LDMFD	`PUSH {reg list}`
跳转	B / BL / BX / BLX	`BL label`
算术	ADD / ADC / SUB / SBC	`ADD Rd, Rn, Rm`
乘除	MUL / UDIV / SDIV	`MUL Rd, Rn, Rm`
逻辑	AND / ORR / BIC / EOR	`AND Rd, Rn, Rm`

9.3 代码示例

完整的 Cortex-A7 启动汇编框架

@ Cortex-A7 启动汇编示例（适用于 I.MX6ULL）
@ 文件：start.S

.global _start

_start:
    @ ============================================
    @ 第一阶段：汇编初始化
    @ ============================================

    @ 1. 关闭 IRQ 和 FIQ
    mrs r0, cpsr
    orr r0, r0, #0xc0       @ 设置 I=1, F=1，禁止中断
    msr cpsr, r0

    @ 2. 设置 SVC 模式
    mrs r0, cpsr
    bic r0, r0, #0x1f       @ 清除 M[4:0] 位
    orr r0, r0, #0x13       @ 设置为 SVC 模式（10011）
    msr cpsr, r0

    @ 3. 设置栈指针（SVC 模式栈）
    ldr sp, =0x80200000      @ DDR 起始地址 + 2MB 作为栈顶

    @ 4. 清零 .bss 段
    ldr r0, =__bss_start     @ .bss 起始地址（链接脚本定义）
    ldr r1, =__bss_end       @ .bss 结束地址
    mov r2, #0
bss_loop:
    cmp r0, r1               @ 比较当前地址与结束地址
    bge bss_done             @ 如果 >= 结束地址，跳转完成
    str r2, [r0]             @ 写零
    add r0, r0, #4           @ 地址 +4
    b bss_loop               @ 继续循环
bss_done:

    @ 5. 跳转到 C 语言 main 函数
    bl main                   @ 调用 main，保存返回地址到 LR

    @ main 返回后（理论上不会到这里）
hang:
    b hang                   @ 死循环

中断向量表与跳转

@ 中断向量表（放在代码段最前面）
.section .text.startup, "ax"

.global _vector_table
_vector_table:
    ldr pc, =_start           @ 复位
    ldr pc, =Undefined_Handler
    ldr pc, =SWI_Handler
    ldr pc, =PrefAbort_Handler
    ldr pc, =DataAbort_Handler
    nop                       @ 保留
    ldr pc, =IRQ_Handler
    ldr pc, =FIQ_Handler

@ IRQ 中断服务函数示例
IRQ_Handler:
    push {r0, r1}             @ 保存 r0, r1
    cps #0x13                 @ 切换到 SVC 模式
    bl  system_irqhandler     @ 调用 C 语言中断处理函数
    cps #0x12                 @ 切换回 IRQ 模式
    pop {r0, r1}
    str r0, [r1, #0x10]       @ 写 EOIR 清中断
    subs pc, lr, #4           @ 返回到中断前的下一条指令

函数调用与现场保护

@ 汇编函数示例：调用 C 函数并保存寄存器
my_function:
    push {r4-r11, lr}        @ 保存 callee-saved 寄存器和返回地址

    @ 调用 C 函数
    mov r0, #10               @ 第一个参数
    mov r1, #20               @ 第二个参数
    bl  c_add_func            @ 调用 C 函数，返回值在 r0

    pop {r4-r11, pc}          @ 恢复寄存器并返回

9.4 注意事项与易错点

= 与 # 的区别

LDR R0, =0x12345678    @ 加载立即数到 R0（伪指令，编译器生成文字池）
LDR R0, [R1]           @ 从 R1 指向的地址读取数据
MOV R0, #0x12          @ 加载小立即数（8 位以内）

= 用于加载任意 32 位立即数（编译器自动处理），# 用于直接立即数（有限范围）。

PUSH/POP 顺序必须匹配

@ 错误！出栈顺序与压栈相反
PUSH {r0, r1, r2}
POP  {r2, r1, r0}      @ 正确但不推荐

@ 推荐写法：POP 按原顺序写，硬件自动按正确顺序恢复
PUSH {r0, r1, r2}
POP  {r0, r1, r2}      @ 推荐！

B vs BL 的选择

场景	使用	原因
初始化完成后跳 main	`B`	不需要返回汇编
调用 C 函数	`BL`	需要返回继续执行
中断处理调用 C 函数	`BL`	必须返回完成中断恢复

函数返回

bx lr：返回到 LR 保存的地址
pop {pc}：从栈中恢复 PC（等价于返回）
mov pc, lr：简单返回（不切换指令集）

指令大小写

@ 以下两种写法等价
MOV R0, R1
mov r0, r1

@ 但不能混用
Mov r0, R1              @ 错误！

9.5 面试要点

常见问题

Q：为什么 Cortex-A 芯片上电后必须先执行汇编？

A：上电时 SP 指针未初始化，C 语言的函数调用依赖栈（出栈入栈），没有栈 C 语言无法运行。汇编不依赖栈，可以先初始化 DDR、设置 SP，建立 C 运行环境后再跳转到 C 代码。

Q：MOV 和 LDR 加载立即数有什么区别？

A：MOV 只能加载 8 位立即数（通过循环右移偶数位得到的值），LDR 伪指令可以加载任意 32 位立即数（编译器会将值放在代码段附近的文字池中，用 PC 相对寻址加载）。

Q：B 和 BL 指令的区别？

A：B 只做跳转，不保存返回地址；BL 跳转前自动将当前 PC+4（下一条指令地址）保存到 LR 寄存器，支持子程序调用后返回。

Q：PUSH/POP 与 STMFD/LDMFD 的关系？

A：PUSH 等价于 STMFD SP!，POP 等价于 LDMFD SP!。FD 表示 Full Descending（满递减堆栈），ARM 处理器默认使用这种堆栈模型。

Q：什么是现场保护？为什么需要它？

A：函数调用或中断发生时，需要先保存当前寄存器值（R0-R15），称为现场保护；函数返回或中断处理完成后，再恢复寄存器值，称为恢复现场。这是保证程序正确执行的基础。

Q：CPSR 寄存器的作用？

A：CPSR（Current Program Status Register）保存当前处理器的状态信息，包括：条件标志位（N/Z/C/V）、中断禁止位（I/F）、处理器模式位（M[4:0]）、Thumb 状态位（T）等。通过 MRS/MSR 指令读写。

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