文章目录

• • • • • ARM 版本号问题
        • ARM 是 RISC 架构：
        • ARM是IO与内存统一编址的
        • ARM是哈佛结构的
        • ARM的基本设定：
        • ARM 处理器工作模式（必须看哦！）
        • ARM的37个寄存器详解（必须看哦！）
        • ARM指令
        • ARM协处理器和协处理器指令
        • ldm / stm 与栈处理
        • ARM汇编伪指令

ARM 版本号问题

ARM 是 RISC 架构：

• 常用ARM汇编指令只有二三十条
• ARM是低功耗的CPU
• ARM的架构非常适合单片机、嵌入式、尤其是物联网领域；而服务器等高性能领域主导还是Intel

ARM是IO与内存统一编址的

• 大部分ARM（M0 M3 M4 M7 ARM9 ARM11 A8 A9）都是32架构
• 32位ARM CPU支持的内存少于4G，通过CPU地址总线来访问
• SOC中的各个内部外设通过各自的SFR编程访问，这些SFR的访问方式类似于访问普通内存，这叫IO与内存统一编址

ARM是哈佛结构的

• 常见ARM（除ARM7外）都是哈佛结构的
• 哈佛机构保证了ARM CPU运行的稳定性和安全性，因此ARM适用于嵌入式领域
• 哈佛结构也决定了ARM裸机程序（使用实地址即物理地址）的连接比较麻烦，必须使用复杂的连接脚本告知连接器如何组织程序；对于OS之上的应用（工作在虚拟地址之中）则不需要考虑这么多

ARM的基本设定：

• ARM 采用的是32位架构
• ARM 约定：
  Byte ：8bits Halfword：16bits（2byte） Word：32bits（4byte）
• 大部分ARM core提供
  ARM指令集（32-bits） Thumb指令集（16-bits） Thumb指令集（16 & 32bits）

ARM 处理器工作模式（必须看哦！）

ARM 有7个基本工作模式：

• User：非特权模式，大部分任务执行在这种模式
• FIQ：当一个高优先级（fast）中断产生时将会进入这种模式
• IRQ：当一个低优先级（nomal）中断产生时将会进入这种模式
• Supervisor：当复位或软中断指令执行时将进入这种模式
• Abort：当存取异常时将会进入这种模式
• Undef：当执行未定义指令时会进入这种模式
• System：使用和User模式相同寄存器集的特权模式

注意：

• 除User（用户模式）是Normal（普通模式）外，其它6种都是privilege（特权模式）
• Privilege中除Sys模式外，其余5种为异常模式
• 各种模式的切换（CPSR），可以是程序员通过代码主动切换（通过写CPSR寄存器）；也可以是CPU在某些情况下自动切换
• 各种模式下权限和可以访问的寄存器不同。

CPU为什么设计这些模式

• CPU是硬件，OS是软件，软件的设计要依赖硬件的特性，硬件的设计要考虑软件的需要，便于实现软件特性
• 操作系统有安全级别级别要求，因此CPU设计多种模式是为了方便操作系统的多种角色安全等级需要

ARM的37个寄存器详解（必须看哦！）

• ARM 共有37个寄存器，都是32位长度
• 37个寄存器中30个为通用型，1个固定用作PC，一个固定用作CPSR（切换CPU工作模式），5个固定用作异常模式下的SPSR（保存之前普通模式下的CPSR，以便返回）

r13（sp） 栈指针寄存器
堆栈式一段按照后进先出原则组织起来的连续存储区域。用于程序保存或恢复数据，或用于子程序调用及中断响应时保护与恢复现场。sp是堆栈指针寄存器，存放着当前堆栈栈顶地址

r14（lr） 寄存器
**子程序的返回地址：**从子程序返回后，主程序继续执行的指令的地址称为子程序的返回地址
LR也叫链接寄存器，用于存放子程序的返回地址。在要进入子程序之前，先将子程序的返回地址存入LR

PC （r15）程序控制寄存器
PC 为程序指针，PC指向哪里，CPU就会执行哪条指令（所以跳转时就是把目标地址代码放到PC中）

CPSR，程序状态寄存器，important

• CPSR中各个bit位表明了CPU的某些信息，这些信息非常重要，和后面学到的汇编指令息息相关（譬如BLE指令中的E就和CPSR中的z标志位有关）
• CPSR中的I、F位和开中断、关中断有关
• CPSR中的mode位（bit4~bit0共5位）决定了CPU的工作模式，在uboot代码中会使用汇编进行设置

cpsr和spsr的区别和联系
cpsr是程序状态寄存器，整个soC中只有1个；而spsr有5个，分别在5种异常模式下，作用是当从普通模式进入异常模式时，用来保存之前普通模式下的cpsr的，以在返回普通模式时恢复原来的cpsr

ARM指令

#ARM采用RISC架构，CPU本身不能直接读取内存，而需要先将内存中内容加载CPU的通用寄存器后才能被CPU处理
ldr   将内容从内存搬到通用寄存器load register
str   将内容从通用寄存器搬到内存store register
ldr/str组合实现ARM CPU和内存数据交换


#ARM 寻址方式
mov r1,r2 		 	寄存器寻址
mov r0，#0xFF00  	立即寻址
mov r0,r1,lsl #3 	寄存器移位寻址
ldr	r1,[r2,#4] 		基址变址寻址
ldmia r1!,{r2~r7,r12} 多寄存器寻址
stmfd sp!,{r2-r7,lr}  堆栈寻址


#ARM 指令后缀，同一个指令附带不同后缀，变成不同的指令
B（byte）功能不变，操作长度为8位
H（half word）功能不变，操作长度为16位
S（signed）功能不变，操作数变为有符号
	ldr ldrb ldrh ldrsb ldrsh
S（S标志）功能不变，影响CPSR标志位


#ARM 条件执行后缀
moveq r0, r1 @ 如果 eq 后缀成立，则直接执行 mov r0, r1
条件后缀是否成立，不是取决于本句代码，而是取决于这句代码之前的代码运行后的结果。
条件后缀决定了本句代码是否被执行，而不会影响上一句和下一句代码是否被执行


#ARM 多级指令流水线
为了增加处理器的指令流的速度，ARM使用多级流水线
不同arm架构会有所不同


#ARM 数据传输和跳转指令
① 数据处理指令：
mov mvn 数据传输指令
add sub rsb adc sbc rsc 逻辑指令
and orr eor bic 逻辑指令
cmp cmn tst teq 比较指令
mvl mla umull umlal smull smlal 乘法指令
clz 前导零计数

② cpsr 访问指令
mrs / msr 	
mrs 用来读cpsr msr用来写cpsr
cpsr寄存器比较特殊，需要专门的指令访问

③ 跳转(分支)指令
b / bl / bx
-b  直接跳转
-bl 跳转前把返回地址放入lr中，以便返回branch and link
-bx 跳转同时切换到ARM模式，一般用于异常处理的跳转

④ 访存指令
ldr / str &   ldm / stm & swp
单个字/半字/字节访问 ldr/str
多字批量访问 ldm/stm

⑤ 软中断指令
swi（software interrupt） 软中断指令用来实现操作系统中系统调用

ARM协处理器和协处理器指令

什么是协处理器

• SoC内部另一处理器核心，协助主CPU实现某些功能，被主CPU调用执行一定任务
• ARM设计上支持多达16个协处理器马，但是一般SoC实现其中的CP15（cp：coprocessor）
• 协处理器和MMU、cache、TLB等处理有关，功能上和操作系统的虚拟地址映射、cache管理有关

协处理器cp15操作指令

mcr & mrc

mrc 用于读取CP15中的寄存器
mcr 用于写入CP15中的寄存器

MRC & MCR的使用方法
mcr{<cond>} p15,<opcode_1>,<Rd>,<Crn>,<Crm>,{<opcode_2>}
- opcode_1：对于 cp15 永远为 0
- Rd：ARM 的普通寄存器
- Crn：cp15 的寄存器，合法值是 c0～c15
- Crm：cp15 的寄存器，一般均设为 c0
- opcode_2：一般省略或为 0

mrc p15,0,r0,c1,c0,0
orr r0,r0,#1
mcr p15,0,r0,c1,c0,0

• 不必深究，将uboot中的kernel中起始代码中的一般操作搞明白即可
• 只看一般用法，不必详细区分参数细节，否则掉坑
• 不必死记硬背，理解即可

ldm / stm 与栈处理

#r举例子
- ldr / str每周期只能访问4字节内存，如果需要批量读取、写入内存时太慢，就用ldm / stm
- ldm load multiple
- stm store register multiple

stmia sp,{r0-r12}
将r0存入sp指向的内存处（假设为0x30001000）
然后地址+4（指向0x30001004），将r1存入该地址
然后地址+4（指向0x30001008），将r2存入该地址，。。。。。。。。。直到存完

#uu一个访存周期同时完成 13 个寄存器的读写uu
8 种后缀：
ia（increase after）先传输，再地址+4 
ib（increase before）先地址+4，再传输 
da（decrease after）先传输，再地址-4 
db（decrease before）先地址-4，再传输 
fd（full decrease）满递减堆栈，即一开始指向栈满的一下个可用位置 
ed（empty decrease）空递减堆栈 
fa（·······） 满递增堆栈 
ea（·······）空递增堆栈

#i四种栈
空栈：栈指针指向空位，每次存入时可以直接存入然后栈指针移动一格；
				    而取出时需要先移动一格才能取出
满栈：栈指针指向栈中最后一格数据，每次存入时需要先移动栈指针一格再存入；
					取出时可以直接取出，然后再移动指栈指针
增栈：栈指针移动时向地址增加的方向移动的栈
减栈：栈指针移动时向地址减小的方向移动的栈

ARM汇编伪指令

伪指令的意义

• 伪指令不是指令，伪指令和指令的根本区别是经过编译后会不会生成机器码
• 伪指令的意义在于指导编译过程
• 伪指令是和具体的编译器相关的，我们使用gnu工具链，因此学习gnu环境下的汇编伪指令

gnu汇编中伪指令符号

• @用来做注释。可以在行首也可以在代码后面同一行直接跟，和 C 语言中//类似
• #做注释，一般放在行首，表示这一行都是注释而不是代码。
• ：以冒号结尾的是标号
• . 点号在 gnu 汇编中表示当前指令的地址
• #立即数 前面要加#或$，表示这是个立即数

常用 gnu 伪指令

• .global _start @ 给_start 外部链接属性
• .section .text @ 指定当前段为代码段
• .ascii .byte .short .long .word
• .quad .float .string @ 定义数据
• .align 4 @ 以 16 字节对齐
• .balignl 16 0xabcdefgh @ 16 字节对齐填充
• .equ @ 类似于 C 中宏定义

偶尔会用到的 gnu 伪指令

• .end @标识文件结束
• .include @ 头文件包含
• .arm / .code32 @声明以下为 arm 指令
• .thumb / .code16 @声明以下为 thubm 指令

最重要的几个伪指令

• ldr 大范围的地址加载指令 》ARM 中有一个 ldr 指令，还有一个 ldr 伪指令
  般都使用 ldr 伪指令而不用 ldr 指令
• adr 小范围的地址加载指令
• adrl 中等范围的地址加载指令
• nop 空操作

adr 和 ldr 的差别：ldr 加载的地址在链接时确定，而 adr 加载的地址在运行时确定；所以我们可以通过 adr 和 ldr 加载的地址比较来判断当前程序是否在链接时指定的地址运行。