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ARM 和汇编语言基础

ARM 基础

位、字节、字是计算机数据存储的单位。 位是最小的存储单位，每一个位存储一个1位的二进制码，一个字节由8位组成。 而字通常为16、32或64个位组成。ARM 处理器是 32 位设计的。

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ATPCS 规则

ATPCS即ARM-THUMB procedure call standard（ARM-Thumb过程调用标准）的简称。

PCS规定了应用程序的函数可以如何分开地写，分开地编译，最后将它们连接在一起，所以它实际上定义了一套有关过程（函数）调用者与被调用者之间的协议。

在实际工程应用中 ARM 汇编常常与 C 语言混合编程，为了实现 ARM 汇编与 C 语言程序的相互调用，子程序需要遵循 ATPCS 规则，基本的 ATPCS 规定有：

1. 各寄存器的使用规则及其相应的名称；
2. 数据栈的使用规则；
3. 参数传递的规则。

简而言之，如果函数有不多于四个参数，使用 ARM 寄存器 R0-R3 进行传递，若参数多于四个则借助栈，函数返回值通过 R0 返回。在 C 程序中声明函数原型，并使用 extern 标记为外部实现，在 C 语言主程序中即可调用该函数。

交叉编译过程：略

寄存器基础

• 程序计数器 pc：保存着当前CPU执行指令的地址。不能用作算数指令的源或目的地以及用作加载或存储指令。
• 堆栈指针：
  • sp：指向堆栈的顶部。
  • fp：帧指针，指向当前frame的栈底，也就是高地址。
• 链接寄存器：lr，存储着函数的返回地址。
• 程序状态寄存器：
  • CPSR：程序状态寄存器(current program status register) CPSR 在用户级编程时用于存储条件码。例如，‘C’ 位用于加法或减法的进位操作。‘Z’ 位用于 TST、CMP、TEQ 等判断指令。
  • SPSR：当发生异常时，cpsr 会存入 spsr 直到异常恢复再复制回 cpsr。

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数据处理指令

数据处理指令语法：

   <操作{>
    
     }{
   S}> 
     
      , 
      
       , 
       
        <操作码> 
         <目标寄存器rd> 
          <第一操作寄存器rn> 
           <第二操作数operand2>
            ;第一个位置必须是寄存器，第二操作数可以是寄存器，也可以是立即数
           
          
         
        
       
      
     
    
   

MOV（数据传送指令）

指令格式：MOV{条件}{S} 目的寄存器，源操作数

简要说明：MOV 指令是数据传送指令，用于将一个数据从源地址传送到目标地址（寄存器间的数据传送本质上也是一样的）。 其特点是不破坏源地址单元的内容。其中S选项为指令的操作结果是否操作CPSR中的条件标志位，当没有S选项时指令不更新CPSR中的条件标志位结果。

指令示例：

mov r1, #0x1　　      ;r1 = 0x1　　　　0x1 是立即数mov r2, r1　　        ;r2 = r1 mvn r3, r2　　        ;r3 = ~r2mov r1, 0xffffff00　　;0xffffff00 不是立即数，只是编译器在编译阶段对其进行了替换mvn r1, 0x000000ff　　;替换的指令

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ADD（加法指令）

ADD（加法指令）

指令示例：

;加法指令执行时，若没有进位 CPSR 'C' 位置 0mov r0, #1mov r1, #1add r2, r1, r0　　;r2 = r1 + r0add r2, r1, #2　　;r2 = r1 + 2

ADDS（带标志位的加法指令）

简要说明：默认情况下，数据处理指令不影响条件码标志位，但可以选择通过添加“S”来影响标志位。

指令示例：

;默认情况下，数据处理指令不影响条件码标志位，但可以选择通过添加“S”来影响标志位。mov r1, #0# mov r2, #-1adds r3, r1, r2

ADC（带进位的加法指令）

检验说明：使用 32 位寄存器进行 64 位的数据处理时需要借助 ADDS 和 ADC 来保存和使用进位标志位。

指令示例：

;两个64位数相加，第一个64位的低32位放在 r0，高位放到 r1，第二个64位数的低32位放在 r2 高32位放在 r3;编写代码实现两个64位数的和，结果的低32位放在 r4 高32位放在 r5mov r0, #0xfffffffe　　 ;第一个数的低32位mov r1, #1　　          ;第一个数的高32位mov r2, #0x5　　        ;第二个数的低32位　mov r3, #1　　          ;第二个数的高32位adds r4, r0, r2         ;保存进位标志位到 CPSRadc r5, r1, r3　　      ; ADC 运算的实质是 r5 = r1 + r3 + 'C'，'C'位为 CPSR 进位标志

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SUB（减法指令）

SUB（减法指令）

注意：加法没有进位时 CPSR ‘C’ 位置 0，而减法没有借位时 CPSR ‘C’ 位置 1，因为减法的本质是加法的逆运算

指令示例：

;减法指令执行时，没有借位时 CPSR 'C' 位置 1mov r0, #5mov r1, #3sub r2, r0, r1　　;r2 = r0 - r1

SUBS & SBC（带标志位和借位的减法指令）

指令示例：

mov r0, #1　　;第一个数的低32位mov r1, #3　　;第一个数的高32位mov r2, #3　　;第二个数的低32位mov r3, #1　　;第二个输的高32位subs r4, r0, r2　　sbc r5, r1, r3

RSB（逆向减法）

指令示例：

mov r0, #3rsb r1, r0, #5　　;r1 = 5 - r0

MUL（乘法指令）

MUL（乘法指令）

指令示例：

;为了提高效率，任何乘法指令不可以使用立即数mov r0, #3mov r1, #5mov r2, r0, r1　　;r2 = r0 * r1

MLA（乘累加指令）

指令示例：

mla r3 ,r0, r1, r2　　;r3 = (r0 * r1) + r2

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逻辑运算指令

AND（逻辑与指令）

指令示例：

mov r0, #0xf0mov r1, #0x0fand r2, r0, r1　　;r2 = r0 & r1

ORR（逻辑或指令）

指令示例：

mov r0, #0xf0mov r1, #0x0forr r2, r0, r1　 ;r2 = r0 | r1

BIC（位清零指令）

指令格式：BIC{cond}{S} Rd,Rn,operand2

简要说明：BIC 指令将 Rn 的值与操作数 operand2 的反码按位逻辑”与”，结果存放到目的寄存器 Rd 中。

指令示例：

BIC R0, R0, #0x0F     ；将R0最低4位清零，其余位不变。mov r0, #0xffbic r0, r0, #0xf　　  ；第二个操作数的每一位为 1 就把第一个操作数对应的位清零

TST（位测试指令）

指令示例：

;实质是与运算 常用于用来测试某一位或某几位是 0 还是 1，结果通过 CPSR 的 'Z' 位判断tst r0, #0x3

CMP（比较指令）

简要说明：为第一个操作减去第二个操作数，但不影响第两个操作数的值，它影响 CPSR flag的 CF，ZF，OF，AF，PF

如何判断大小：

1. ZF：ZF=1 则说明两个数相等，因为zero为1说明结果为0。
2. CF：
   • 当无符号时：
     • CF=1 则说明了有进位或借位，cmp是进行的减操作，故可以看出为借位，所以，此时oprd1<oprd2
     • CF=0 则说明了无借位，但此时要注意ZF是否为0，若为0，则说明结果不为0，故此时oprd1>oprd2
   • 当有符号时：
     • 若SF=0，OF=0 则说明了此时的值为正数，没有溢出，可以直观的看出，oprd1>oprd2
     • 若SF=1，OF=0 则说明了此时的值为负数，没有溢出，则为oprd1<oprd2
     • 若SF=0，OF=1 则说明了此时的值为正数，有溢出，可以看出oprd1<oprd2
     • 若SF=1，OF=1则说明了此时的值为负数，有溢出，可以看出oprd1>oprd2

如何判断溢出：

1. 两数同为正，相加，值为负，则说明溢出。
2. 两数同为负，相加，值为正，则说明溢出。
3. 两数相减，同号，则不溢出；两数为异号，结果与减数符号相同，则溢出。

指令示例：

;实质是一条减法指令;没有目标register，用来比较两个数是否相等，结果放到 CPSR 的 'Z' 位判断mov r0, #2mov r1, #1cmp r0, r1

TEQ（相等测试指令）

简要说明：实质是异或运算，测试两个数是否相等，两个数相等时异或结果位 0，通过 CPSR 的 ‘Z’ 位判断

指令示例：

;实质是异或运算，测试两个数是否相等，两个数相等时异或结果位 0，通过 CPSR 的 'Z' 位判断teq r0, r1

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移位运算指令

指令格式：op{S}{cond} Rd, Rm, Rs

简要说明：如果指定了 S，则这些指令将会根据结果来更新 N 和 Z 标记。如果移位值为 0，则不会影响 C 标记。否则，C 标记会更新为移出的最后一位。

• LSL 逻辑左移，高位移出，低位补零
• ASL 算术左移，和 LSL 是等同的，可以自由互换。
• LSR 逻辑右移，低位移出，高位补零
• ASR 算术右移，低位移出，高位补符号位
• ROR 循环右移，低位移出，高位补低位移出位
• RRX 带扩展的循环右移

ASL

指令示例：

mov r0, #0xffmov r1, r0, lsl #4　　；与mov配合使用，将 r0 逻辑左移 4 位放入 r1 中LSLS r1, r2, r3       ；单独使用

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加载/存储指令

ARM 微处理器支持加载/存储指令用于在寄存器和存储器之间传送数据，加载指令用于将存储器中的数据传送到寄存器，存储指令则完成相反的操作。

1. LDR 和 STR 用于 Int 类型
2. LDRB 和 STRB 用于 Char 类型
3. LDRH 和 STRH 用于 Short 类型

LDR（加载指令）

LDR（字数据加载指令）

指令格式：LDR{条件} 目的寄存器，<存储器地址>

简要说明：LDR指令用于从存储器中将一个32位的字数据传送到目的寄存器中。

指令示例：

LDR   R0，[R1]                 ；将存储器地址为R1的字数据读入寄存器R0。LDR   R0，[R1，R2]             ；将存储器地址为R1+R2的字数据读入寄存器R0。LDR   R0，[R1，＃8]            ；将存储器地址为R1+8的字数据读入寄存器R0。LDR   R0，[R1，R2] ！          ；将存储器地址为R1+R2的字数据读入寄存器R0，并将新地址R1＋R2写入R1。LDR   R0，[R1，＃8] ！         ；将存储器地址为R1+8的字数据读入寄存器R0，并将新地址R1＋8写入R1。LDR   R0，[R1]，R2             ；将存储器地址为R1的字数据读入寄存器R0，并将新地址R1＋R2写入R1。LDR   R0，[R1，R2，LSL＃2]！   ；将存储器地址为R1＋R2×4的字数据读入寄存器R0，并将新地址R1＋R2×4写入R1。LDR   R0，[R1]，R2，LSL＃2     ；将存储器地址为R1的字数据读入寄存器R0，并将新地址R1＋R2×4写入R1。

LDRB（字节数据加载指令）

指令格式：LDR{条件}B 目的寄存器，<存储器地址>

简要说明：LDRB指令用于从存储器中将一个8位的字节数据传送到目的寄存器中，同时将寄存器的高24位清零。

指令示例：

LDRB R0，[R1]         ；将存储器地址为R1的字节数据读入寄存器R0，并将R0的高24位清零。LDRB R0，[R1，＃8]    ；将存储器地址为R1＋8的字节数据读入寄存器R0，并将R0的高24位清零。

LDRH（半字数据加载指令）

指令格式：LDR{条件}H 目的寄存器，<存储器地址>

简要说明：LDRH指令用于从存储器中将一个16位的半字数据传送到目的寄存器中，同时将寄存器的高16位清零。

指令示例：

LDRH R0，[R1]        ；将存储器地址为R1的半字数据读入寄存器R0，并将R0的高16位清零。LDRH R0，[R1，＃8]   ；将存储器地址为R1＋8的半字数据读入寄存器R0，并将R0的高16位清零。LDRH R0，[R1，R2]    ；将存储器地址为R1＋R2的半字数据读入寄存器R0，并将R0的高16位清零。

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STR（存储指令）

STR（字数据存储指令）

指令格式：STR{条件} 源寄存器，<存储器地址>

简要说明：STR指令用于从源寄存器中将一个32位的字数据传送到存储器中。

指令示例：

STR   R0，[R1]，＃8    ；将R0中的字数据写入以R1为地址的存储器中，并将新地址R1＋8写入R1。STR   R0，[R1，＃8]    ；将R0中的字数据写入以R1＋8为地址的存储器中。

STRB（字节数据存储指令）

指令格式：STR{条件}B 源寄存器，<存储器地址>

简要说明：STRB指令用于从源寄存器中将一个8位的字节数据传送到存储器中。该字节数据为源寄存器中的低8位。

指令示例：

STRB R0，[R1]         ；将寄存器R0中的字节数据写入以R1为地址的存储器中。STRB R0，[R1，＃8]    ；将寄存器R0中的字节数据写入以R1＋8为地址的存储器中。

STRH（半字数据存储指令）

指令格式：STR{条件}H 源寄存器，<存储器地址>

简要说明：STRH指令用于从源寄存器中将一个16位的半字数据传送到存储器中。该半字数据为源寄存器中的低16位。

指令示例：

STRH R0，[R1]         ；将寄存器R0中的半字数据写入以R1为地址的存储器中。STRH R0，[R1，＃8]    ；将寄存器R0中的半字数据写入以R1＋8为地址的存储器中。

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堆栈操作指令

PUSH 和 POP

指令格式：

• PUSH {reglist[,LR]}
• POP {reglist[,PC]}

简要说明：寄存器入栈及出栈指令。实现低寄存器和可选的 LR 寄存器入栈寄存器和可选的 PC 寄存器出栈操作，堆栈地址由 SP 寄存设置，堆栈是满递减堆栈.

指令示例：

PUSH    {
   R4,LR}     ；将低寄存器R4入栈，LR也入栈。POP     {
   R4,PC}     ；将堆栈中的数据弹出到低寄存器 R4 及 PC 中PUSH {
   R0-R7,LR}     ；将低寄存器 R0~R7 全部入栈，LR 也入栈POP {
   R0-R7,PC}      ；将堆栈中的数据弹出到低寄存器 R0~R7 及 PC 中

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STMF 和 LDMF

堆栈是特定顺序进行存取的存储区，操作顺序分为“后进先出”和“先进后出”。

堆栈寻址时隐含的，它使用一个专门的寄存器(堆栈指针)指向一块存储区域(堆栈)，指针所指向的存储单元就是堆栈的栈顶。存储器堆栈可分为两种:

1. 向上生长：向高地址方向生长，称为递增堆栈
2. 向下生长：向低地址方向生长，称为递减堆栈

根据堆栈指针又可以分成两种：

1. 堆栈指针指向最后压入的堆栈的有效数据项，称为满堆栈
2. 堆栈指针指向下一个要放入的空位置，称为空堆栈

这样就有 4 中类型的堆栈表示递增和递减的满堆栈和空堆栈的各种组合：

1. 满递增：堆栈通过增大存储器的地址向上增长，堆栈指针指向内含有效数据项的最高地址。

   • 指令如 LDMFA，STMFA 等。

2. 空递增：堆栈通过增大存储器的地址向上增长，堆栈指针指向堆栈上的第一个空位置。

   • 指令如 LDMEA，STMEA 等。

3. 满递减：堆栈通过减小存储器的地址向下增长，堆栈指针指向内含有效数据项的最低地址。

   • 指令如 LDMFD，STMFD 等。

4. 空递减：堆栈通过减小存储器的地址向下增长，堆栈指针指向堆栈下的第一个空位置。

   • 指令如 LDMED，STMED 等。

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跳转指令

• B：在32M空间内的相对跳转指令，label 满足条件立即跳转到Label指定的地址执行
• BEQ：相等则跳转（Branch if EQual）
• BNE：不相等则跳转（Branch if Not Equal）
• BGE：大于或等于跳转（Branch if Greater than or Equa）
• BGT：大于跳转（Branch if Greater Than）
• BL：带链接的相对跳转指令，带链接的跳转。 首先将当前指令的下一条指令地址保存在LR寄存器，然后跳转的label。通常用于调用子程序，可通过在子程序的尾部添加mov pc, lr返回。
• BLE：小于或等于跳转（Branch if Less than or Equal）
• BLEQ：带链接等于跳转（Branch with Link if EQual）
• BLLT：带链接小于跳转（Branch with Link if Less Than）
• BLT：小于跳转（Branch if Less Than）
• BX：切换跳转，带状态切换的跳转。最低位为1时，切换到Thumb指令执行，为0时，解释为ARM指令执行。
• BLX：带链接的切换跳转，带链接和状态切换的跳转。结合了BX与BL功能。

指令示例：

LDR r0,=0X3LDR r1,=0X8FCMP r0,r1BGE a_labelSUBS r1,r1, #0XC9

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其他指令

NOP（空指令）

有时候，我们不得不需要修改BL或者Jl之类的指令，改为什么也不做，这个NOP指令就派上用场了。

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