作者：一只大喵咪1201
专栏：《理解ARM架构》
格言：你只管努力，剩下的交给时间！

目录

  • 直接操作寄存器点亮LED灯
  • 地址空间
  • ARM内部的寄存器
  • 汇编指令
    • ⚽内存访问指令
      • 四种栈
    • ⚽数据处理指令
    • ⚽跳转指令
    • ⚽伪指令
  • 汇编和反汇编
  • C与汇编
    • ⚽Flash上的内容
  • 纯汇编点灯
  • 总结

直接操作寄存器点亮LED灯

在学习C语言的时候，我们会写个Hello World程序来入门，当我们写ARM程序，也该有一个简单的程序引领我们入门，这个程序就是点亮LED。

查看原理图，确定控制LED的引脚：


如上图是四种常见的LED驱动电路：

方式1：使用引脚输出3.3V点亮LED，输出0V熄灭LED。
方式2：使用引脚拉低到0V点亮LED，输出3.3V熄灭LED。

  • 有的芯片为了省电等原因，其引脚驱动能力不足，这时可以使用三极管驱动。

方式3：使用引脚输出1.2V点亮LED，输出0V熄灭LED。
方式4：使用引脚输出0V点亮LED，输出1.2V熄灭LED。

但是对于我们写程序来说，不用关心输出的是3.3V还是1.2V，只需要知道引脚输出的是高电平还是低电平，简称输出1或0。

  • 逻辑1–>高电平
  • 逻辑0–>低电平

芯片操作引脚：


如上图，本喵的STM32F103ZET6开发板上，控制引脚输出0点亮LED灯，这里仅控制Red的LED灯，操作的引脚是PB0。

  • 使能GPIOB组引脚：

从芯片手册上查找相关寄存器：


如上图是RCC_APB2ENR寄存器，用来控制不同组GPIO的使能，将该寄存器的bit3设置为1就使能了GPIOB。

那我们怎么找到这个寄存器呢？


如上图是不同寄存器所在的地址范围。Reset and clock control RCC是用来使能外设时钟的，它的基地址是0x40021000。

又因为RCC_APB2ENR寄存器的偏移地址是0x18，所以该寄存器的绝对地址就是0x40021000 + 0x18。

  • 设置GPIOB0为输出模式：


如上图，再从这张表中找到GPIOB的基地址是0x40010C00。


如上图所示是GPIOx_CRL寄存器，x是引脚编号，本喵这里使用的是PB0，所以x就是0，需要配置MODE0和CNF0。该寄存器的偏移量是0x00，所以该寄存器的绝对地址就是0x40010C00 + 0x00 。

MODE0的两个比特位配置为11，表示输出，并且输出速度设置最大，此时电平变化最快。

CNF0的两个比特位是配置输出模式的，这里仅是点灯，使用默认值即可。

  • 设置引脚电平：


如上图是GPIOx_ODR寄存器，用来控制引脚的输出电平，根据偏移地址得到它的绝对地址是0x40010C00 + 0x0C。

由于是PB0，所以控制它的bit0ODR0即可，该位是1，输出1，该为是0，输出0。

要实现bit0 = 1或者bit0 = 0，不能直接GPIOx_ODR = 1，这样虽然能让bit0为1，但是该寄存器的其他位被置0了。

  • 操作寄存器的某一位时，不能影响其他位。

置一：GPIOx_ODR |= (1<<0)。
置0：GPIOx_ODR &= ~(1<<0)。

这样的方式就仅在操作bit0，其他位并不影响。


如上图所示GPIOx_BSRR寄存器，它的绝对地址是0x40010C00 + 0x10，对于PB0，只需要操作BS0位和BR0位。

BS0写1，输出1，BR0写1，输出0，这些位写0没有任何影响，此时就可以仅操作这一个寄存器即可，效率较高。

  • 编程：


如上图所示启动文件中的汇编代码，蓝色框中的是语法规定，必须有的，暂时不用管它。

板子一上电以后会去向量表__Vectors处开始执行代码，执行到DCD Reset_Handler后会开始调用我们自己写的函数mymain，在调用之前需要设置一下栈顶SP，然后BL跳转到我们自己写的函数中去执行。


如上图本喵自己实现的mymain.c函数中，先创建一个32位的指针变量pReg，用来访问寄存器。

  1. 让指针指向RCC_APB2ENR寄存器的地址0x40021000 + 0x18，将该寄存器的bit3置一，使能GPIOB。
  2. 让指针指向GPIOx_CRL寄存器的地址0x40010C00 + 0x00，将该寄存器的bit0置一，设置PB0为输出模式。
  3. 让指针指向ODR寄存器的地址0x40010C00 + 0x0C，将该寄存器的bit0设置为1，让PB0输出1，然后延时，再将bit0设置为0，然后再延时，如此反复。

然后编译工程，并将程序烧录到开发板中，可以看到板子上红色的LED灯在闪烁，本喵这里就不贴图了。

地址空间

ARM架构：

在上面点灯的过程中，本喵在访问寄存器的时候，完全就是在使用C语言的指针来访问内存地址，为什么这样做就可以访问到寄存器呢？

如上图示意图所示，在ARM架构的CPU中，内存RAM，各种片内外设，如UART，USB控制器等都是统一编址的，它们的地址是连续的，从add1到add6。

CPU在访问不同的地址时，会将地址先发给内存控制器memeory controller，由内存控制器去访问地址读取数据。

  • 所以在CPU眼里，这些外设以及内存的访问方法都是一样的。

x86架构：


如上图所示是x86架构CPU访问内存和外设的示意图，这里的内存和IO空间中的外设就不是统一编址的，而是分隔开的。

内存的地址范围是0~4GB，IO空间的范围是0~64k，这两个空间在0~64K的地址范围是重复的，CPU通过不同指令来访问不同的空间。

当CPU要访问内存空间的时候，就使用MOV指令，当CPU要访问IO空间的时候，就使用IN指令。

精简指令集计算机：

ARM芯片属于精简指令集计算机(RISC：Reduced Instruction Set Computing)，它所用的指令比较简单，有如下特点：
① 对内存只有读、写指令
② 对于数据的运算是在CPU内部实现
③ 使用RISC指令的CPU复杂度小一点，易于设计


如上图所示的乘法运算a = a * b，RISC中要使用4条汇编指令：

① 读内存a
② 读内存b
③ 计算a*b
④ 把结果写入内存

复杂指令集计算机：

x86属于复杂指令集计算机(CISC：Complex Instruction Set Computing)，
它所用的指令比较复杂，比如某些复杂的指令，它是通过“微程序”来实现的。

比如执行乘法指令时，实际上会去执行一个“微程序”，在“微程序”里，
一样是去执行这4不操作：
① 读内存a
② 读内存b
③ 计算a*b
④ 把结果写入内存

但是对于程序员来说，他看不到“微程序”，他好像用一条指令就搞定了这一切！

这里提到x86架构以及CISC仅仅是为了和ARM架构以及RISC作一个对比，我们使用的是ARM架构以及RISC。

ARM内部的寄存器

ARM架构中对于数据的运算是在CPU内部实现的，在内部用什么来保存上面乘法运算中的a，b，以及a * b的结果呢？

cortex-M3/M4中寄存器示意图：


如上图所示是CPU中寄存器示意图。

CPU内部都有R0、R1、……、R15寄存器，它们可以用来“暂存”数据。

对于R13、R14、R15，还另有用途：

  • R13：别名SP(Stack Pointer)，栈指针。
  • R14：别名LR(Link Register)，用来保存返回地址。
  • R15：别名PC(Program Counter)，程序计数器，表示当前指令地址，写入新值即可跳转。

其中R13就是汇编指令里使用的SP，但是它有两个寄存器，一般情况下使用的是SP_main寄存器，运行RTOS的时候，任务使用的是SP_process寄存器。

  • 在编程的时候直接使用SP，根据不同情况会自动调用相应的栈寄存器。


如上图所示，在程序执行的过程中，PC寄存器会按照顺序读取指令并去执行。

这16个寄存器之外还有一个xPSR寄存器，用来保存程序状态，保存上一条指令的执行结果，比如比较结果。还有一些控制作用，比如屏蔽中断、使能中断。

对于cortex-M3/M4来说，xPSR实际上对应3个寄存器：

① APSR：Application PSR，应用PSR
② IPSR：Interrupt PSR，中断PSR
③ EPSR：Exectution PSR，执行PSR


这3个寄存器的含义如上图所示，其实就是3个寄存器使用32位中的不同比特位，所以就用一个程序状态寄存器xPSR来表示了3个寄存器。


如上图所示就是组后和的真实寄存器。


如上图所示是xPSR寄存器中不同位所表示的意义。

这3个寄存器，可以单独访问，使用下面汇编指令：

  • MRS R0, APSR ：读APSR
  • MRS R0, IPSR ：读IPSR
  • MSR APSR, R0 ：写APSR

这3个寄存器，也可以一次性访问：

  • MRS R0, PSR ：读组合程序状态
  • MSR PSR, R0 ：写组合程序状态

汇编指令

一开始，ARM公司发布两类指令集：

① ARM指令集，这是32位的，每条指令占据32位，高效，但是太占空间。
② Thumb指令集，这是16位的，每条指令占据16位，节省空间。

要节省空间时用Thumb指令，要效率时用ARM指令。

一个CPU既可以运行Thumb指令，也能运行ARM指令。通过程序状态寄存器中有一位，名为“T”，它等于1时表示当前运行的是Thumb指令。

现在有一种情况，函数A是使用Thumb指令写的，函数B是使用ARM指令写的，可以往PC寄存器里写入函数A或B的地址，就可以调用A或B。

但是怎么让CPU在执行A函数是进入Thumb状态，在执行B函数时进入ARM状态？

  • 调用函数A时，让PC寄存器的BIT0等于1，即：PC=函数A地址+(1<<0)；
  • 调用函数B时，让PC寄存器的BIT0等于0:，即：PC=函数B地址

根据函数地址的bit0位来判断这是用Thumb指令写的还是用ARM指令写的。

这样做非常的麻烦，所以后来又引入了Thumb2指令集，它支持16位指令、32位指令混合编程。

有那么多指令集：ARM、Thumb、Thumb2，难道都要记住它们的指令吗？当然不会，ARM公司推出了UAL(Unified Assembly Language)，统一汇编语言，你不需要去区分这些指令集。

在程序前面用CODE32/CODE16/THUMB表示指令集：ARM/Thumb/Thumb2

我们在使用中不需要记住多少汇编指令，没必要写很复杂的汇编程序，因为在设置栈后就用C语言来写函数了。

常用的汇编指令只有几类：内存访问、数据处理、跳转、其他指令。

以“数据处理”指令为例，UAL汇编格式为：

  • Operation表示各类汇编指令，比如ADD、MOV；
  • cond表示conditon，即该指令执行的条件，条件符合就执行，不符合就不执行，该选项可写可不写，条件有：

    如上图，这些条件都和程序状态寄存器xPSR中的值有关，使用条件的指令之前一定得有改变xPSR寄存器的指令。

{S}表示该指令执行后会去修改程序状态寄存器，也是可写可不写。

  • Rd为目的寄存器，用来存储运算的结果；
  • Rn、Operand2是两个源操作数

下面本喵用一款神器VisUAL来讲解一下常用汇编指令的用法，这是一款ARM汇编模拟器。

⚽内存访问指令

LDR：Load Register

如上图所示是该指令的用法，作用就是从内存中读取数据到寄存器中，其中{type}表示读取数据的类型，如B就是无符号的一个字节数据，该选项可写可不写。

STR：Store Register


如上图所示就是该指令的用法，作用就是将数据从寄存器中写入到内存中。


如上图所示汇编代码，在执行的过程中在右侧的红色框中可以看到寄存器中值的变化，在下侧的框中可以看到内存中的值。根据回调代码中的注释很容易看懂意思。

MOV是一个最基本的汇编指令，表示数据的移动，从源操作数移动到目的操作数，如上面中的MOV R0, #0x20000中，将0x20000移动到寄存器R0中。

!表示R0=R0+8，就是运算完以后要改变R0寄存器中的值。

LSL是一个数据左移指令，就相当于C语言中的<<操作符，如上面的STR R2, [R0, R1, LSL #4]表示将R1中的值左移4位然后加到R0上，最后将R2寄存器中的值存放到R0中值所代表的地址处。

LDM：Load Multiple Register


如上图所示是LDM的用法，作用是从多个地址处将数据读取到多个寄存器中。

addr_mode:
IA – Increment After, 每次传输后才增加Rn的值(默认,可省)
IB – Increment Before, 每次传输前就增加Rn的值(ARM指令才能用)
DA – Decrement After, 每次传输后才减小Rn的值(ARM指令才能用)
DB – Decrement Before, 每次传输前就减小Rn的值

! : 表示修改后的Rn值会写入Rn寄存器,
如果没有”!”, 指令执行完后Rn恢复/保持原值

^ : 会影响CPSR, 在讲异常时再细讲

这里的Rn表示地址，如LDMIA R0, {R1-R3}表示将R0,R0+4,R0+8地址处的数据读取到R1,R2,R3寄存器中。

STM：Store Multiple Register


如上图所示是STM的用法，作用是将多个寄存器中的值写到多个地址处。这里Rn也表示地址。选项和LDM的用法一样。


如上图所示是将寄存器中R1，R2，R3中的1，2，3放入到R0中的起始地址0x20000处时，使用的四种addr_mode方式。

上面是汇编代码，下面是执行完毕后内存中的值，这个过程中，高地址放编号高的寄存器中值。

四种栈

根据栈指针指向，可分为满(Full)/空(Empty)：

  • 满SP指向最后一个入栈的数据，需要先修改SP再入栈。

  • 空SP指向下一个空位置，先入栈再修改SP。

    根据压栈时SP的增长方向，可分为增/减：

  • 增(Ascending)：SP变大。

  • 减(Descending)：SP变小。

  • 组合后，就有4种栈：满增、满减，空增，空减。

常用的的栈为“满减”：

  • 入栈时用STMDB，也可以用STMFD，作用一样，表示入栈之前先减小SP。
  • 出栈时用LDMIA，也可以用LDMFD，作用一样，表示出栈之后再增加SP。


如上图代码所示，使用STMFD将数字1，2，3入栈，此时R13也就是SP寄存器的值是0x1FFF4，因为从0x2000开始减了12个字节，此时内存中的值也符合。

然后将R1,R2,R3寄存器中的值清0，然后再使用LDMFD将栈中的1，2，放入到寄存器中。

⚽数据处理指令

加法指令：

ADDR1, R2, R3 ; R1 = R2 + R3ADDR1, R2, #0x12 ; R1 = R2 + 0x12

减法指令：

 SUBR1, R2, R3 ; R1 = R2 - R3 SUBR1, R2, #0x12 ; R1 = R2 - 0x12

进行减法运算的时候，发生借位时会改变程序状态寄存器xPSR中的N位。

位操作：

ANDR1, R2, #(1<<4);位与，R1 = R2 & (1<<4)ANDR1, R2, R3 ; 位与，R1 = R2 & R3BICR1, R2, #(1<<4); 清除某位，R1 = R2 & ~(1<<4)BICR1, R2, R3 ; 清除某位，R1 = R2 & ~R3ORRR1, R2, R3;位或，R1 = R2 | R3

VisUAL里不支持(1<<4)这样的写法，写成0x10。

比较：

CMP R0, R1 ; 比较R0-R1的结果CMP R0, #0x12; 比较R0-0x12的结果TSTR0, R1;测试 R0 & R1的结果TSTR0, #(1<<4) ;测试 R0 & (1<<4)的结果

比较的本质就是在做减法，用第一个操作数减去第二个操作数，比较的结果会改变程序状态寄存器xPSR中的N位和Z位。

⚽跳转指令

void A(){int a = 10;B(a);printf(“ok”);}

C程序中，函数A调用函数B的实质是：跳转去执行函数B的代码，函数B执行完后，还要回到函数A继续执行后面的代码。

对应的汇编指令就是跳转指令：

  • B：Branch，跳转
  • BL：Branch with Link，跳转前先把返回地址保持在LR寄存器中
  • BX：Branch and eXchange，根据跳转地址的BIT0切换为ARM或Thumb状态(0：ARM状态，1：Thumb状态)。
  • BLX：Branch with Link and eXchange，跳转前先把返回地址保持在LR寄存器中，根据跳转地址的BIT0切换为ARM或Thumb状态(0：ARM状态，1：Thumb状态)。

由于使用的是Thumb2指令集，所以只使用B和BL两条跳转指令。


如上图，跳转时可以加条件{cond}，{.W}不用写。

如上图，使用B跳转指令跳转到延时函数Delay中，然后让R0减1，再使用BNE来判断跳转到哪里，当R0不为0时，在BNE和SUBS之间执行。

SUBS在SUB减法指令的基础上增加了S，表示执行完后会影响程序状态寄存器xPSR的值。


在运行过程中，xPSR中的Z位始终为0，表示R0的值不为0。BNE是在跳转指令B的基础上增加了条件NE，代表的条件就是xPSR中的Z为0。

此时符合BNE条件，所以跳转到loop继续执行，从而实现延时。但是这个延时函数执行完毕后无法获得返回地址，因为B跳转指令不会保存返回地址到LR寄存器中。


如上图所示，使用BL跳转指令，在跳转之前会将返回地址存入到LR寄存器中，如上图所示，LR中的值是0x04，由于当前地址是第一行，返回地址就是下一条指令的地址，也就是第2行，又因为BL指令是32位指令，所以增加4。

当延时结束以后，将LR中的返回地址直接赋值给PC寄存器，程序从第2行开始执行。

⚽伪指令

这样一条指令：MOV R0, #VAL意图是把VAL这个值存入R0寄存器，那么VAL可以是任意值吗？不可以

  • 直接给寄存器赋值的数必须是立即数。

假设VAL可以是任意数，MOV R0, #VAL本身是16位或32位，哪来的空间保存任意数值的VAL？所以，VAL必须符合立即数的规定：


如上图是立即数必须符合的规则，但是由我们去判断一个数是否是立即数会比较麻烦，并且我就想把任意数值赋值给R0，这时就可以使用伪指令。

LDR伪指令：

LDR R0,=VAL

“伪指令”，就是假的、不存在的指令。编译器会把“伪指令”替换成真实的指令，比如：

  • LDR R0, =0x12 中0x12是立即数，那么替换为：MOV R0, #0x12。

  • LDR R0, =0x12345678中0x12345678不是立即数，那么替换为：LDR R0, [PC, #offset]使用LDR读内存指令读出值，offset是链接程序时确定的。

编译器在程序某个地方保存有这个非立即数的值，需要赋值的时候就来这个地府读取。

  • 注意LDR作为“伪指令”时，指令中有一个“=”，否则它就是真实的LDR(load regisgter)指令了。

ADR伪指令：

ADR R0, Loop

比如ADR R0, Loop，要将标号Loop的地址读取到R0中，它是伪指令，会被转换成真实的指令ADD R0,PC,#VAL，VAL在连接的时候确定。


如上图，之前的延时程序可以使用伪指令ADR直接将返回地址赋值给LR寄存器，将函数Delay的地址直接赋值给PC寄存器，去执行延时函数。

汇编和反汇编

我们的第1个LED程序涉及2个文件：start.s、main.c，它们的处理过程如下：


如上图所示是程序编译的步骤，最后面的红色框是反汇编，就是将生成的可执行二进制文件变成汇编代码。

  • 汇编：汇编文件转换为目标文件(里面是机器码)。
  • 反汇编：可执行文件(目标文件，里面是机器码)，转换为汇编文件。

KEIL中反汇编：

fromelf--bin--output=led.binObjects\led.axffromelf--text-a -c--output=led.disObjects\led.axf

在KEIL的User选项中，如下图添加这两项：


然后重新编译，即可得到二进制文件led.bin(以后用到)、反汇编文件led.dis。


如上图，只截取led.dis中前面一小段，第一列是地址，第二列是机器码，第三列是汇编代码。


如上图所示是Thumb/Thumb2指令集中LDR指令的机器码生成规则，和前面反汇编文件中LDR对应的机器码做对比，可以发现，完全可以对的上。

C与汇编

汇编代码中调用C函数时使用BL mymain，那如果我想给mymain函数传参呢？在前面编译过程中可以看到，.c源文件也会被编译成汇编文件，然后所有汇编文件再进行汇编生成目标文件，然后再进行连接。

此时start.s中调用main.s中的mymain函数，这两个文件都是汇编文件，汇编调用汇编传参就容易实现了。在ARM中使用寄存器来传参：


如上图，r0-r3用于调用者和被调用者之间传参数。

r4-r11用来保存局部变量，函数可能使用它们，所以在函数的入口保存它们，在函数的出口恢复它们。

r12-r15是特殊用途的寄存器。

int delay(unsigned int d){while (d--);return 0;}int mymain(){delay(1000000);return 0;}

上面的C代码转换成汇编后调用delay时如下：

LDRR0, =1000000 /* 给delay函数传参数，保存在r0里 */BL delayCMP R0, #0/* 返回值保存在r0中 */

可以看到，在调用delay之前，直接将1000000赋给寄存器R0，然后使用BL调用delay，此时就通过R0进行了传参。

函数调用结束后，delay函数的返回值也保存在寄存器R0中。

⚽Flash上的内容


如上图是我们生成的反汇编文件，其中机器码是烧写到Flash上的，汇编码只是为了方便我们阅读。

每条指令会对应一个地址，如上图中的0x08000000，这个地址在Flash中是真实存在的，Flash中的地址也是按照上图中指令的地址这样分布的。

烧到Flash上

地址Flash内容
0x0800000000000000
0x0800000408000009
0x08000008f8dfd004
0x0800000cf000f80c
0x0800001020010000
0x08000014bf00b501
0x080000181e419800
…………

如上表所示，烧到Flash上的内容只有机器码，它自动放在与每条指令相对应的地址上。

启动流程：

上电后：

  • 设置栈：CPU会从0x08000000读取值，用来设置SP(我们的程序里在调用mymain之前设置了SP)
  • 跳转：CPU从0x08000004得到地址值，根据它的BIT0切换为ARM状态或Thumb状态，然后跳转
    • 对于cortex M3/M4，它只支持Thumb状态，所以0x08000004上的值bit0必定是1
    • 0x08000004上的值 = Reset_Handler + 1
  • 从Reset_Handler继续执行，使用BL调用我们的mymain函数开始执行C代码。

纯汇编点灯


如上图所示汇编代码，上电后，程序会执行Reset_Handler处，开始执行汇编代码，步骤和C语言的一样。

  • 将RCC_APB2ENR寄存器的绝对地址赋值给R0，然后将bit3置为1，使能GPIOB。
  • 将GPIOx_CRL寄存器的绝对地址赋值给R0，然后将bit0置位1，设置PB0为输出模式。
  • 将GPIOx_ODR寄存器的绝对地址赋值给R2，然后控制它的bit0位来控制引脚输出0和1。
    • 将bit0设置成1，LED灯点亮，然后延时
    • 将bit0设置成0，熄灭LED灯，然后延时
    • 再使用B指令跳转回Loop处，循环点亮

在调用延时函数delay时使用的是BL指令，在延时函数中，使用BNE判断R0中的值是否为0，延时结束后将LR中的返回地址赋值给PC寄存器。

调用延时函数delay时，通过寄存器R0传参。

将程序编译并烧录到开发板中，可以看到LED灯在闪烁，本喵这里也不贴图了。

总结

这篇文章中，要对ARM架构有一个框架性的认识，知道CPU是怎么访问内存的，还有要记住这几条常用的汇编指令，其他复杂的指令遇到时自行百度查阅即可。

要明白调用函数是如何传参的，以及板子上电后，程序的执行流程，包括Flash中存放的是什么。