【Linux 裸机篇（一）】ARM Cortex-A 架构基础、汇编基础

目录

• 一、ARM Cortex-A 架构基础
• • 1. Cortex-A 处理器运行模型
  • 2. Cortex-A 寄存器组
  • • 2.1 通用寄存器
    • • 2.1.1 未备份寄存器
      • 2.1.2 备份寄存器
      • 2.1.3 程序计数器 R15
    • 2.2 程序状态寄存器
• 二、ARM 汇编基础
• • 1. GNU 汇编语法
  • • 1.1 语句
    • 1.2 段
    • 1.3 伪操作
    • 1.4 函数
  • 2. 常用汇编指令
  • • 2.1 处理器内部数据传输指令
    • • 2.1.1 MOV 指令
      • 2.1.2 MRS 指令
      • 2.1.3 MSR 指令
    • 2.2 存储器访问指令
    • • 2.2.1 LDR 指令
      • 2.2.2 STR 指令
    • 2.3 压栈和出栈指令
    • 2.4 跳转指令
    • • 2.4.1 B 指令
      • 2.4.2 BL 指令
    • 2.5 算术运算指令
    • 2.6 逻辑运算指令

一、ARM Cortex-A 架构基础

1. Cortex-A 处理器运行模型

Cortex-A 处理器有9种运行模型

  除了 User(USR)用户模式以外，其它 8 种运行模式都是特权模式。这几个运行模式可以通过软件进行任意切换，也可以通过中断或者异常来进行切换。大多数的程序都运行在用户模式，用户模式下是不能访问系统所有资源的，有些资源是受限的，要想访问这些受限的资源就必须进行模式切换。但是用户模式是不能直接进行切换的，用户模式下需要借助异常来完成模式切换，当要切换模式的时候，应用程序可以产生异常，在异常的处理过程中完成处理器模式切换。
 当中断或者异常发生以后，处理器就会进入到相应的异常模式种，每一种模式都有一组寄存器供异常处理程序使用，这样的目的是为了保证在进入异常模式以后，用户模式下的寄存器不会被破坏。
 STM32 只有两种运行模式，特权模式和非特权模式，但是 Cortex-A 就有 9 种运行模式。

2. Cortex-A 寄存器组

ARM 架构提供了 16 个 32 位的通用寄存器(R0~R15)供软件使用，前 15 个(R0~R14)可以用作通用的数据存储， R15 是程序计数器 PC，用来保存将要执行的指令。 ARM 还提供了一个当前程序状态寄存器 CPSR 和一个备份程序状态寄存器 SPSR， SPSR 寄存器就是 CPSR 寄存器的备份。

九种运行模型所对应的寄存器

下图浅色字体的是与 User 模式所共有的寄存器，蓝绿色背景的是各个模式所独有的寄存器。可以看出，在所有的模式中，低寄存器组(R0~R7)是共享同一组物理寄存器的，只是一些高寄存器组在不同的模式有自己独有的寄存器，比如 FIQ 模式下 R8~R14 是独立的物理寄存器。假如某个程序在 FIQ 模式下访问 R13 寄存器，那它实际访问的是寄存器 R13_fiq，如果程序处于 SVC 模式下访问 R13 寄存器，那它实际访问的是寄存器 R13_svc。

2.1 通用寄存器

R0~R15 就是通用寄存器，通用寄存器可以分为以下三类：
①、 未备份寄存器，即 R0~R7。
②、 备份寄存器，即 R8~R14。
③、 程序计数器 PC，即 R15。

2.1.1 未备份寄存器

未备份寄存器指的是 R0~R7 这 8 个寄存器，因为在所有的处理器模式下这 8 个寄存器都是同一个物理寄存器，在不同的模式下，这 8 个寄存器中的数据就会被破坏。所以这 8 个寄存器并没有被用作特殊用途。

2.1.2 备份寄存器

备份寄存器中的 R8~R12: 这 5 个寄存器有两种物理寄存器，在快速中断模式下(FIQ)它们对应着 Rx_irq(x=8~12)物理寄存器，其他模式下对应着 Rx(8~12)物理寄存器。 FIQ 是快速中断模式，看名字就是知道这个中断模式要求快速执行！ FIQ 模式下中断处理程序可以使用 R8~R12寄存器，因为 FIQ 模式下的 R8~R12 是独立的，因此中断处理程序可以不用执行保存和恢复中断现场的指令，从而加速中断的执行过程。

备份寄存器 R13: 一共有 8 个物理寄存器，其中一个是用户模式(User)和系统模式(Sys)共用的，剩下的 7 个分别对应 7 种不同的模式。 R13 也叫做 SP，用来做为栈指针。基本上每种模式都有一个自己的 R13 物理寄存器，应用程序会初始化 R13，使其指向该模式专用的栈地址，这就是常说的初始化 SP 指针。

备份寄存器 R14: 一共有 7 个物理寄存器，其中一个是用户模式(User)、系统模式(Sys)和超级监视模式(Hyp)所共有的，剩下的 6 个分别对应 6 种不同的模式。R14 也称为连接寄存器(LR)，LR 寄存器在 ARM 中主要用作如下两种用途：

  ①、每种处理器模式使用 R14(LR)来存放当前子程序的返回地址，如果使用 BL 或者 BLX来调用子函数的话， R14(LR)被设置成该子函数的返回地址，在子函数中，将 R14(LR)中的值赋给 R15(PC)即可完成子函数返回，比如在子程序中可以使用如下代码：

MOV PC, LR @寄存器 LR 中的值赋值给 PC，实现跳转

//或者可以在子函数的入口出将 LR 入栈：PUSH {LR} @将 LR 寄存器压栈//在子函数的最后面出栈即可：POP {PC}@将上面压栈的 LR 寄存器数据出栈给 PC 寄存器，严格意义上来讲应该是将LR-4 赋给 PC，因为 3 级流水线，这里只是演示代码。

  ②、当异常发生以后，该异常模式对应的 R14寄存器被设置成该异常模式将要返回的地址，R14 也可以当作普通寄存器使用。

2.1.3 程序计数器 R15

R15寄存器是程序计数器（Program Counter），也叫做指令指针寄存器（Instruction Pointer Register）。它存储了当前正在执行的指令的地址。当一个指令被执行完毕后，通常情况下，程序计数器会自动加1或者按照指令中相应字段给出的步长前进到下一条指令所在的地址。这是因为指令在内存中是顺序排列的，MCU需要按照顺序依次执行这些指令。
但是，在某些特殊情况下，程序计数器可能不会自动加1。例如，在跳转、中断、异常处理等情况下，MCU可能需要根据特定的规则或者指令中给出的地址修改程序计数器的值而非自增1。此外，一些高级架构的MCU可能会采用分支预测等技术来优化程序运行效率，这也可能导致程序计数器不按照顺序自增。

总之，程序计数器是否自动加1取决于具体MCU的架构和实现方式，需要在具体应用场景下进行评估和调试。

程序计数器 R15 也叫做 PC， R15 保存着当前执行的指令地址值加 8 个字节，这是因为 ARM的流水线机制导致的。 ARM 处理器 3 级流水线：取指->译码->执行，这三级流水线循环执行，比如当前正在执行第一条指令的同时也对第二条指令进行译码，第三条指令也同时被取出存放在 R15(PC)中。我们喜欢以当前正在执行的指令作为参考点，也就是以第一条指令为参考点，那么 R15(PC)中存放的就是第三条指令，换句话说就是 R15(PC)总是指向当前正在执行的指令地址再加上 2 条指令的地址。对于 32 位的 ARM 处理器，每条指令是 4 个字节，所以:

R15 (PC)值 = 当前执行的程序位置 + 8 个字节

2.2 程序状态寄存器

所有的处理器模式都共用一个 CPSR 物理寄存器，因此 CPSR 可以在任何模式下被访问。CPSR 是当前程序状态寄存器，该寄存器包含了条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志等一些状态位以及一些控制位。所有的处理器模式都共用一个 CPSR 必然会导致冲突，为此，除了 User 和 Sys 这两个模式以外，其他 7 个模式每个都配备了一个专用的物理状态寄存器，叫做 SPSR(备份程序状态寄存器)，当特定的异常中断发生时， SPSR 寄存器用来保存当前程序状态寄存器(CPSR)的值，当异常退出以后可以用 SPSR 中保存的值来恢复 CPSR。

因为 User 和 Sys 这两个模式不是异常模式，所以并没有配备 SPSR，因此不能在 User 和Sys 模式下访问 SPSR，会导致不可预知的结果。由于 SPSR 是 CPSR 的备份，因此 SPSR 和CPSR 的寄存器结构相同。

二、ARM 汇编基础

ARM 芯片一上电 SP 指针是没初始化的， C 环境还没准备好，所以肯定不能运行 C 代码，必须先用汇编语言设置好 C 环境，比如初始化 DDR(芯片本身没有 RAM，或者内部 RAM 不开放给用户使用)、设置 SP指针等等，当汇编把 C 环境设置好了以后才可以运行 C 代码。

1. GNU 汇编语法

1.1 语句

GNU 汇编语法适用于所有的架构，并不是 ARM 独享的， GNU 汇编由一系列的语句组成，每行一条语句，每条语句有三个可选部分，如下：

label： instruction @ comment
label: 即标号，表示地址位置，有些指令前面可能会有标号，这样就可以通过这个标号得到指令的地址，标号也可以用来表示数据地址。注意 label 后面的“：”，任何以“：”结尾的标识符都会被识别为一个标号。

instruction: 即指令，也就是汇编指令或伪指令。

@: 表示后面的是注释，就跟 C 语言里面的“/”和“/”一样，其实在 GNU 汇编文件中我们也可以使用“/”和“/”来注释。

comment: 就是注释内容。

如：

add:MOVS R0, #0X12 @设置 R0=0X12

注意！ ARM 中的指令、伪指令、伪操作、寄存器名等可以全部使用大写，也可以全部使用小写，但是不能大小写混用。

1.2 段

用户可以使用.section 伪操作来定义一个段，汇编系统预定义了一些段名：
 .text 表示代码段。
 .data 初始化的数据段。
 .bss 未初始化的数据段。
 .rodata 只读数据段。

使用.section 来定义一个段，每个段以段名开始，以下一段名或者文件结尾结束，比如：

.section .testsection @定义一个 testsetcion 段

1.3 伪操作

汇编程序的默认入口标号是_start，不过我们也可以在链接脚本中使用 ENTRY 来指明其它的入口点，下面的代码就是使用_start 作为入口标号：

.global _start_start:ldr r0, =0x12 @r0=0x12

上面代码中.global 是伪操作，表示_start 是一个全局标号，类似 C 语言里面的全局变量一样，常见的伪操作有：

1.4 函数

GNU 汇编同样也支持函数，且汇编函数返回语句不是必须的，格式：

函数名:函数体返回语句

如汇编写的中断服务函数：

/* 未定义中断 */Undefined_Handler:ldr r0, =Undefined_Handlerbx r0/* SVC 中断 */SVC_Handler:ldr r0, =SVC_Handlerbx r0/* 预取终止中断 */PrefAbort_Handler:ldr r0, =PrefAbort_Handlerbx r0

“Undefined_Handler”就是函数名，“ldr r0, =Undefined_Handler”是函数体，“bx r0”是函数返回语句，“bx”指令是返回指令，函数返回语句不是必须的。

2. 常用汇编指令

2.1 处理器内部数据传输指令

使用处理器做的最多事情就是在处理器内部来回的传递数据，常见的操作有：
①、将数据从一个寄存器传递到另外一个寄存器。
②、将数据从一个寄存器传递到特殊寄存器，如 CPSR 和 SPSR 寄存器。
③、将立即数传递到寄存器。

数据传输常用的指令有三个： MOV、 MRS 和 MSR

2.1.1 MOV 指令

MOV 指令用于将数据从一个寄存器拷贝到另外一个寄存器，或者将一个立即数传递到寄存器里面，使用示例如下：

MOV R0， R1 @将寄存器 R1 中的数据传递给 R0，即 R0=R1MOV R0, #0X12 @将立即数 0X12 传递给 R0 寄存器，即 R0=0X12

2.1.2 MRS 指令

MRS 指令用于将特殊寄存器(如 CPSR 和 SPSR)中的数据传递给通用寄存器，要读取特殊寄存器的数据只能使用 MRS 指令！使用示例如下：

MRS R0, CPSR @将特殊寄存器 CPSR 里面的数据传递给 R0，即 R0=CPSR

2.1.3 MSR 指令

MSR 指令和 MRS 刚好相反， MSR 指令用来将普通寄存器的数据传递给特殊寄存器，也就是写特殊寄存器，写特殊寄存器只能使用 MSR，使用示例如下：

MSR CPSR, R0 @将 R0 中的数据复制到 CPSR 中，即 CPSR=R0

2.2 存储器访问指令

ARM 不能直接访问存储器，比如 RAM 中的数据， I.MX6UL 中的寄存器就是 RAM 类型的，我们用汇编来配置 I.MX6UL 寄存器的时候需要借助存储器访问指令，一般先将要配置的值写入到 Rx(x=0~12)寄存器中，然后借助存储器访问指令将 Rx 中的数据写入到 I.MX6UL 寄存器中。读取 I.MX6UL 寄存器也是一样的，只是过程相反。常用的存储器访问指令有两种： LDR 和STR

2.2.1 LDR 指令

LDR 主要用于从存储加载数据到寄存器 Rx 中， LDR 也可以将一个立即数加载到寄存器 Rx中， LDR 加载立即数的时候要使用“=”，而不是“#”。在嵌入式开发中， LDR 最常用的就是读取 CPU 的寄存器值，比如 I.MX6UL 有个寄存器 GPIO1_GDIR，其地址为 0X0209C004，我们现在要读取这个寄存器中的数据，示例代码如下：

LDR R0, =0X0209C004 @将寄存器地址 0X0209C004 加载到 R0 中，即 R0=0X0209C004LDR R1, [R0] @读取地址 0X0209C004 中的数据到 R1 寄存器中

上述代码就是读取寄存器 GPIO1_GDIR 中的值，读取到的寄存器值保存在 R1 寄存器中，上面代码中 offset 是 0，也就是没有用到 offset。

2.2.2 STR 指令

LDR 是从存储器读取数据， STR 就是将数据写入到存储器中，同样以 I.MX6UL 寄存器GPIO1_GDIR 为例，现在我们要配置寄存器 GPIO1_GDIR 的值为 0X20000002，示例代码如下：

LDR R0, =0X0209C004 @将寄存器地址 0X0209C004 加载到 R0 中，即 R0=0X0209C004LDR R1, =0X20000002 @R1 保存要写入到寄存器的值，即 R1=0X20000002STR R1, [R0] @将 R1 中的值写入到 R0 中所保存的地址中

LDR 和 STR 都是按照字进行读取和写入的，也就是操作的 32 位数据，如果要按照字节、半字进行操作的话可以在指令“LDR”后面加上 B 或 H，比如按字节操作的指令就是 LDRB 和STRB，按半字操作的指令就是 LDRH 和 STRH。

2.3 压栈和出栈指令

通常会在 A 函数中调用 B 函数，当 B 函数执行完以后再回到 A 函数继续执行。要想再跳回 A 函数以后代码能够接着正常运行，那就必须在跳到 B 函数之前将当前处理器状态保存起来(就是保存 R0~R15 这些寄存器值)，当 B 函数执行完成以后再用前面保存的寄存器值恢复R0~R15 即可。保存 R0~R15 寄存器的操作就叫做现场保护，恢复 R0~R15 寄存器的操作就叫做恢复现场。在进行现场保护的时候需要进行压栈(入栈)操作，恢复现场就要进行出栈操作。压栈的指令为 PUSH，出栈的指令为 POP， PUSH 和 POP 是一种多存储和多加载指令，即可以一次操作多个寄存器数据，他们利用当前的栈指针 SP 来生成地址， PUSH 和 POP 的用法如表所示：

假如我们现在要将 R0~R3 和 R12 这 5 个寄存器压栈，当前的 SP 指针指向 0X80000000，处理器的堆栈是向下增长的，使用的汇编代码如下：

PUSH {R0~R3, R12} @将 R0~R3 和 R12 压栈

压栈完成以后的堆栈如图所示：

对R0~R3,R12进行压栈以后的堆栈示意图，此时的SP指向了0X7FFFFFEC，假如我们现在要再将 LR 进行压栈，汇编代码如下：

PUSH {LR} @将 LR 进行压栈

对 LR 进行压栈完成以后的堆栈模型如图所示：

上图分两步对 R0~R3,R12 和 LR 进行压栈以后的堆栈模型，如果我们要出栈的话就是使用如下代码：

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

出栈的就是从栈顶，也就是 SP 当前执行的位置开始，地址依次减小来提取堆栈中的数据到要恢复的寄存器列表中。 PUSH 和 POP 的另外一种写法是“STMFD SP！”和“LDMFD SP!”，因此上面的汇编代码可以改为：

STMFD SP!,{R0~R3, R12} @R0~R3,R12 入栈STMFD SP!,{LR} @LR 入栈LDMFD SP!, {LR} @先恢复 LRLDMFD SP!, {R0~R3, R12} @再恢复 R0~R3, R12

STMFD 可以分为两部分： STM 和 FD，同理， LDMFD 也可以分为 LDM 和 FD。看到 STM和 LDM 有没有觉得似曾相识(不是 STM32 啊啊啊啊)，前面我们讲了 LDR 和 STR，这两个是数据加载和存储指令，但是每次只能读写存储器中的一个数据。 STM 和 LDM 就是多存储和多加载，可以连续的读写存储器中的多个连续数据。
FD 是 Full Descending 的缩写，即满递减的意思。根据 ATPCS 规则,ARM 使用的 FD 类型的堆栈， SP 指向最后一个入栈的数值，堆栈是由高地址向下增长的，也就是前面说的向下增长的堆栈，因此最常用的指令就是 STMFD 和 LDMFD。 STM 和 LDM 的指令寄存器列表中编号小的对应低地址，编号高的对应高地址。

2.4 跳转指令

有多种跳转操作，比如：
①、直接使用跳转指令 B、 BL、 BX 等。
②、直接向 PC 寄存器里面写入数据。

上述两种方法都可以完成跳转操作，但是一般常用的还是 B、 BL 或 BX，其中 B 和 BL 指令用的最多。

2.4.1 B 指令

这是最简单的跳转指令， B 指令会将 PC 寄存器的值设置为跳转目标地址， 一旦执行 B 指令， ARM 处理器就会立即跳转到指定的目标地址。如果要调用的函数不会再返回到原来的执行处，那就可以用 B 指令，如下示例：

_start:ldr sp,=0X80200000 @设置栈指针b main @跳转到 main 函数

上述代码就是典型的在汇编中初始化 C 运行环境，然后跳转到 C 文件的 main 函数中运行，上述代码只是初始化了 SP 指针，有些处理器还需要做其他的初始化，比如初始化 DDR 等等。因为跳转到 C 文件以后再也不会回到汇编了，所以在第 4 行使用了 B 指令来完成跳转。

2.4.2 BL 指令

BL 指令相比 B 指令，在跳转之前会在寄存器 LR(R14)中保存当前 PC 寄存器值，所以可以通过将 LR 寄存器中的值重新加载到 PC 中来继续从跳转之前的代码处运行，这是子程序调用一个基本但常用的手段。比如 Cortex-A 处理器的 irq 中断服务函数都是汇编写的，主要用汇编来实现现场的保护和恢复、获取中断号等。但是具体的中断处理过程都是 C 函数，所以就会存在汇编中调用 C 函数的问题。而且当 C 语言版本的中断处理函数执行完成以后是需要返回到irq 汇编中断服务函数，因为还要处理其他的工作，一般是恢复现场。这个时候就不能直接使用B 指令了，因为 B 指令一旦跳转就再也不会回来了，这个时候要使用 BL 指令，示例代码如下：

push {r0, r1} @保存 r0,r1cps #0x13 @进入 SVC 模式，允许其他中断再次进去bl system_irqhandler @加载 C 语言中断处理函数到 r2 寄存器中cps #0x12 @进入 IRQ 模式pop {r0, r1}str r0, [r1, #0X10] @中断执行完成，写 EOIR

上述代码中第 4 行就是执行 C 语言版的中断处理函数，当处理完成以后是需要返回来继续执行下面的程序，所以使用了 BL 指令。

2.5 算术运算指令

汇编中也可以进行算术运算， 比如加减乘除，常用的运算指令用法如表所示：

在嵌入式开发中最常会用的就是加减指令，乘除基本用不到。

2.6 逻辑运算指令

用 C 语言进行 CPU 寄存器配置的时候常常需要用到逻辑运算符号，比如“&”、“|”等逻辑运算符。使用汇编语言的时候也可以使用逻辑运算指令，常用的运算指令用法如表所示：

此学习笔记来自 “正点原子” 学习资料，如需详细学习请关注 “正点原子”