嵌入式知识-ARM裸机-学习笔记（3）：实现汇编和C语言的相互调用以及栈的设置
嵌入式知识-ARM裸机-学习笔记（3）：实现汇编和C语言的相互调用以及栈的设置
一、栈的设置
1. C语言运行时需要和栈的意义
C语言运行时（runtime） 需要一定的条件，这些条件由汇编来提供，在普通的单片机中这部分不需要我们来考虑。C语言运行时主要是需要栈。
C语言和栈的关系： C语言中的局部变量都是用栈来实现的。如果我们汇编部分没有给C部分预先设置合理合法的栈地址，那么C代码中定义的局部变量就会落空，整个程序就会崩溃。
我们平时在编写单片机程序（譬如51单片机）或者编写应用程序时并没有去设置栈，但是C程序还是可以运行的。 原因是：在单片机中由硬件初始化时提供了一个默认可用的栈，在应用程序中我们编写的C程序其实并不是全部，编译器（gcc）在链接的时候会帮我们自动添加一个头，这个头就是一段引导我们的C程序能够执行的一段汇编实现的代码，这个代码中就帮我们的C程序设置了栈及其他的运行时需要。
2. CPU模式和各种模式下的栈
在ARM中37个寄存器中，为什么每种模式下都有自己的独立的SP寄存器（堆栈指针寄存器r13）？
答：如果各种模式都使用同一个SP，那么就意味着整个程序（操作系统内核程序、用户自己编写的应用程序）都是用一个栈的。你的应用程序如果一旦出错（譬如栈溢出），就会连累操作系统的栈也损坏，整个操作系统的程序就会崩溃。这样的操作系统设计是非常脆弱的，不合理的。
因此在每种模式下，都设置一个自己独有的SP，即哎各种模式下都用不同的栈，瞻仰就会互不影响，即使应用程序中的栈出错了，仍不会影响到系统程序。
如何访问SVC模式下的SP呢（这里仅举一个SVC的例子）？
答：先把模式设置为SVC，再直接操作SP。但是因为我们复位后就已经是SVC模式了，所以直接设置SP即可。因此这里要查看SP的寄存器地址，才能对其进行操作。
3. 设置栈指针至合法位置
栈必须是当前一段可用的内存 ，可用的意思是这个地方必须有被初始化过可以访问的内存，而且这个内存只会被我们用作栈，不会被其他程序征用。
当前CPU刚复位（刚启动），外部的DRRAM尚未初始化，目前可用的内存只有内部的SRAM（因为它不需初始化即可使用）。因此我们只能在SRAM中找一段内存来作为SVC的栈。
栈的四种构成介绍：
满栈： 进栈：先移动指针再存； 出栈：先出数据再移动指针
空栈： 进栈：先存再移动指针； 出栈：先移动指针再出数据
减栈： 进栈：指针向下移动； 出栈：指针向上移动
增栈： 进栈：指针向上移动； 出栈：指针向下移动
通过这四种构成四种栈的类型，即满增栈、满减栈、空增栈、空减栈。
在ARM中，ATPCS要求使用满减栈，查看数据手册可知：
SVC的栈地址是从0xd0037780到0xd0037d80,我们使用的栈类型为满减栈，因此进栈时是先移动指针再存，并且指针向下移动。因此我们需要从高位地址写起，即0xd0037d80。
#define WTCON 0xE2700000 //这里是开关看门狗的地址
#define SVC_STACK 0xd0037d80 //从SVC栈的高位开始写
.global _start // 把_start链接属性改为外部，这样其他文件就可以看见_start了
_start:
// 第1步：关看门狗（向WTCON的bit5写入0即可）
ldr r0, =WTCON
ldr r1, =0x0
str r1, [r0]
// 第2步：设置SVC栈
ldr sp, =SVC_STACK
……从这里之后就可以开始调用C程序了
二、汇编程序和C程序的相互调用
1. 如何实现两者之间的相互配合
在工程中新建并且添加一个C语言源文件（以.c结尾的文件，这里面是程序运行的代码）。在汇编启动代码中设置好栈后，使用bl xxx的方式来调用C中的函数xxx。注意要修改Makefile，使其包括编译C文件的部分。
（1）汇编程序.s：
#define WTCON 0xE2700000
#define SVC_STACK 0xd0037d80
.global _start // 把_start链接属性改为外部，这样其他文件就可以看见_start了
_start:
// 第1步：关看门狗（向WTCON的bit5写入0即可）
ldr r0, =WTCON
ldr r1, =0x0
str r1, [r0]
// 第2步：设置SVC栈
ldr sp, =SVC_STACK
// 从这里之后就可以开始调用C程序了
bl led_blink // led_blink是C语言实现的一个函数
// 汇编最后的这个死循环不能丢
b .
在.s文件中，将之前所有执行程序全部替换掉，改用bl指令进行函数调用，这里用bl指令调用led_blink函数，并用C程序编写led_blink函数内部执行内容。
（2）C语言程序.c：
#define GPJ0CON 0xE0200240
#define GPJ0DAT 0xE0200244
void delay(void);
// 该函数要实现led闪烁效果
void led_blink(void)
{
// led初始化，也就是把GPJ0CON中设置为输出模式
unsigned int *p = (unsigned int *)GPJ0CON;
unsigned int *p1 = (unsigned int *)GPJ0DAT;
*p = 0x11111111;
while (1)
{
// led亮
*p1 = ((0<<3) | (0<<4) | (0<<5));
// 延时
delay();
// led灭
*p1 = ((1<<3) | (1<<4) | (1<<5));
// 延时
delay();
}
}
void delay(void)
{
volatile unsigned int i = 900000; // volatile 让编译器不要优化，这样才能真正的减
while (i--); // 才能消耗时间，实现delay
}
在C语言程序中，负责编写汇编程序中bl指令调用的led_blink函数，实现LED灯的闪烁。这里涉及到了如何用C语言访问寄存器的方法：
利用汇编语言访问寄存器的方法为：
#define GPJ0CON 0xE0200240
//向GPJ0CON寄存器中写入数据0x11111111
ldr r0, =0x11111111 //第一步：用伪指令将立即数存入寄存器r0中
ldr r1, =GPJ0CON //第二步，用伪指令将地址0xE0200240村日寄存器r1中
str r0, [r1] //第三步，通过寄存器间接寻址的方式将立即数存入到指定地址
寄存器的地址类似于内存地址（IO与内存统一编址的），所以这里的问题是用C语言读写寄存器，就是用C语言来读写内存地址。用C语言来访问内存，就要用到指针。
因此对应的利用C语言访问寄存器的方法为：
#define GPJ0CON 0xE0200240
unsigned int *p = (unsigned int *)GPJ0CON; //第一步，先定义一个指针
*p = 0x11111111;//第二步，通过该指针来访问对应的地址，并将数据写入到地址中
//把0xE0200240地址空间理解成一个指针，指针指向了一个内存空间，该内存空间就用p指针来指向，用*p的方式往指针指向的地址空间里写东西。
上述两步也可以用一步来完成：
*((unsigned int *)0xE0200240) = 0x11111111;
总结： 在汇编语言中，使用立即数前需要定义一个寄存器来暂时存放此数据，因此有ldr r0, =0x11111111；紧接着要将该数据存到寄存器GPJ0CON中，所以需要知道其内存地址为0xE0200240，对于汇编语言要定义寄存器用来存放该地址，既有ldr r1, =GPJ0CON，对于C语言要通过定义一个指针来对应该地址，既有unsigned int *p = (unsigned int *)GPJ0CON; 最后要将数据存入该地址时，对于汇编语言要通过寄存器间接寻址的方式来进行存入str r0, [r1]，而对于C语言来说，要通过指针的方式来访问地址从而实现该地址内数据的写入 *((unsigned int *)0xE0200240) = 0x11111111;
（3）Makefile文件
与之前纯汇编语言的不同是多了一个C程序，因此需要在Makefile文件中实现两者的相互配合，共同编译。
led.bin: start.o led.o //这里需要汇编生成的.o文件和C生成的.o文件都体现出来
arm-linux-ld -Ttext 0x0 -o led.elf $^
arm-linux-objcopy -O binary led.elf led.bin
arm-linux-objdump -D led.elf > led_elf.dis
gcc mkv210_image.c -o mkx210
./mkx210 led.bin 210.bin
%.o : %.S
arm-linux-gcc -o $@ $< -c -nostdlib //nostdlib就是不使用标准函数库。
%.o : %.c
arm-linux-gcc -o $@ $< -c -nostdlib
clean:
rm *.o *.elf *.bin *.dis mkx210 -f