9. ARM汇编基础.md 17 KB
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 |
按位或 |
ORR Rd, Rn, #immed |
Rd = Rn \| #immed |
立即数或 |
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) |
按位或非 |
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。