裸机开发（2） Cortex-A7简介 常用ARM汇编指令
目录
- 1.Cortex-A处理器运行模型
- 2.Cortex-A寄存器组
- 2.1.寄存器组简介
- 2.2.通用寄存器
- 2.3.程序状态寄存器
- 3.GUN汇编语法
- 4.ARM常用汇编指令
1.Cortex-A处理器运行模型
ARM的A系列处理器有9种运行模型：User、FIQ、IRQ、Supervisor(SVC)、Abort、Undef，Monitor，Hyp和System，其中User是非特权模式，其余6中都是特权模式。这9个运行模式可以通过软件、中断或者异常来进行切换。大多数的程序都运行在User模式，是不能访问系统所有资源的，要想访问这些受限的资源就必须进行模式切换。但用户模式不能直接进行切换，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，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只有特权模式和非特权模式，但Cortex-A 就有 9 种运行模式。
2.Cortex-A寄存器组
2.1.寄存器组简介
ARM架构有16个32位的通用寄存器，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。另外还有“当前程序状态寄存器CPSR”和“备份程序状态寄存器SPSR”，SPSR是CPSR寄存器的备份。
Cortex-A7 9种模式对应的寄存器如下图，蓝色背景的是各个模式所独有的寄存器。在所有的模式中，低寄存器组(R0 ~ R7)共享同一组物理寄存器，但一些高寄存器组在不同的模式有自己独有的寄存器。
2.2.通用寄存器
R0~R15 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。
- 未备份寄存器
R0 ~ R7。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。 - 备份寄存器
R8 ~ R12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。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。
R13共有8个物理寄存器，一个是用户模式(User)和系统模式(Sys)共用的，剩下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。
R14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)所共用的，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)，其在 ARM中主要用作如下两种用途：
①、每种模式使用R14(LR)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，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。两种方法代码如下：
方法1.在子函数中编写：
MOV PC, LR //寄存器 LR 中的值赋值给 PC，实现跳转
方法2.在子函数入口将LR入栈：
PUSH {LR} //将LR寄存器压栈
在子函数的最后面出栈：
POP{PC} @将上面压栈的 LR 寄存器数据出栈给 PC 寄存器
②、当异常发生后，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。
- 程序计数器R15
程序计数器R15也叫PC，因为ARM的流水线机制，R15保存着当前执行的指令地址值加8个字节。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，也就是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，因此R15(PC)值 = 当前执行的程序位置+8个字节。
2.3.程序状态寄存器
CPSR是当前程序状态寄存器，被所有模式共用，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会导致冲突，为此除了User和Sys两个模式，其他7个模式都各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。SPSR和CPSR的寄存器结构相同。
CPSR寄存器：
- N(bit31)：当两个补码表示有符号整数运算时，N=1表示运算结果为负，N=0表示结果为正。
- Z(bit30)：Z=1表示运算结果为零，Z=0 表示不为零，对于CMP指令Z=1表示进行比较的两数相等。
- C(bit29)：加法指令中当结果产生了进位，C=1；减法指令中当运算发生借位，则C=0。
- V(bit28)：对于加/减法运算指令，V=1表示符号位溢出。
- Q(bit27)：仅ARM v5TE_J架构支持，表示饱和状态，Q=1表示累积饱和，Q=0表示累积不饱和。
- IT[1:0] (bit26:25)：和IT[7:2] (bit15:bit10)一起组成IT[7:0]，作为IF-THEN指令执行状态。
- J(bit24)：仅ARM_v5TE-J架构支持，J=1表示处于Jazelle 状态，此位通常和T(bit5)位一起表示当前所使用的指令集：
| J | T | 描述 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | ARM |
| 0 | 1 | Thumb |
| 1 | 1 | ThumbEE |
| 1 | 0 | Jazelle |
- GE[3:0] (bit19:16)：SIMD指令有效，大于或等于。
- IT[7:2] (bit15:10)：参考 IT[1:0]。
- E(bit9)：大小端控制位，E=1表示大端模式，E=0表示小端模式。
- A(bit8)：禁止异步中断位，A=1表示禁止异步中断。
- I(bit7)：I=1禁止IRQ，I=0使能 IRQ。
- F(bit6)：F=1禁止FIQ，F=0使能FIQ。
- T(bit5)：参考J(bit24)。
- M[4:0]：处理器模式控制位，含义如表所示：
| M[4:0] | 处理器模式 |
|---|---|
| 10000 | User模式 |
| 10001 | FIQ模式 |
| 10010 | IRQ模式 |
| 10011 | Supervisor(SVC)模式 |
| 10110 | Monitor(MON)模式 |
| 10111 | Abort(ABT)模式 |
| 11010 | Hyp(HYP)模式 |
| 11011 | Undef(UND)模式 |
| 11111 | System(SYS)模式 |
3.GUN汇编语法
在Cortex-A芯片上电后，需要用户写程序，使用汇编语言初始化SP指针，使其指向栈顶，并且需要初始化DDR等操作（因为芯片可能没有向用户开放的ram），最后再进入C语言的main。由于我们编写的是ARM汇编，使用GCC交叉编译器编译，所以汇编代码要符合GNU语法，GNU语法的格式是：label：instruction @ comment。
可以使用“.section”伪操作来定义一个段，可以自定义段名称，也可以使用汇编系统预定义的段名：
| 段名 | 含义 |
|---|---|
| .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 |
汇编程序的默认入口标号是_start，也可以在链接脚本中使用ENTRY来指明其它的入口点。下面代码中.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。
.global _start
_start:
ldr r0, =0x12 @r0=0x12
还有其他常用伪操作：
| 名称 | 举例 |
|---|---|
| .byte | 定义单字节数据，比如.byte 0x12 |
| .short | 定义双字节数据，比如.short 0x1234 |
| .long | 定义一个 4 字节数据，比如.long 0x12345678 |
| .equ | 赋值语句，比如.equ num, 0x12，表示num=0x12 |
| .align | 数据字节对齐，比如：.align 4 表示 4 字节对齐 |
| .end | 表示源文件结束 |
| .global | 定义一个全局符号，比如：.global _start |
4.ARM常用汇编指令
处理器内部数据传输命令：
- 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。
MOV R0，R1 @将寄存器R1中的数据传递给R0，即R0=R1
MOV R0, #0X12 @将立即数0X12传递给R0寄存器，即R0=0X12
- 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。
MRS R0, CPSR @将特殊寄存器CPSR里面的数据传递给R0，即R0=CPSR
- MSR指令，和MRS相反，用来将普通寄存器的数据传递给特殊寄存器。
MSR CPSR, R0 @将R0中的数据复制到CPSR中，即CPSR=R0
存储器访问指令：
- LDR指令，LDR Rd, [Rn , #offset] ，从存储器Rn+offset的位置读取数据存放到Rd中。
字节操作是LDRB，半字操作是LDRH。
LDR R0, =0X0209C004 @将寄存器地址 0X0209C004 加载到 R0 中，即 R0=0X0209C004
LDR R1, [R0] @读取地址 0X0209C004 中的数据到 R1 寄存器中
- STR指令，STR Rd, [Rn, #offset] ，将Rd中的数据写入到存储器中的Rn+offset位置。字节操作是STRB，半字操作是STRH。
LDR R0, =0X0209C004 @将寄存器地址 0X0209C004 加载到 R0 中，即 R0=0X0209C004
LDR R1, =0X20000002 @R1 保存要写入到寄存器的值，即 R1=0X20000002
STR R1, [R0] @将 R1 中的值写入到 R0 中所保存的地址中
压栈和出栈指令：
通常会在A函数中调用B函数，B函数执行完以后再回到A函数继续执行。必须在跳到B函数前保存当前处理器状态(R0 ~ R15寄存器值，即保护现场)，B函数执行完后再恢复R0 ~ R15即可（即恢复现场）。保护现场需要进行压栈操作（PUSH指令），恢复现场要进行出栈操作（POP指令）。PUSH和POP是多存储和多加载指令，利用当前的栈指针SP来生成地址，能一次操作多个寄存器。
- PUSH < reg list >，将寄存器列表存入栈中，也可写作“STMFD SP！”。
- POP < reg list >，从栈中恢复寄存器列表，也可写作“LDMFD SP！”。
跳转指令：
- B指令，能将PC寄存器的值设置为跳转目标地址， 执行后ARM处理器就会立即跳转到指定的目标地址，不再返回原地址。
//设置栈顶指针后跳转到C语言
_start:
ldr sp,=0X80200000 @设置栈指针
b main @跳转到 main 函数
- BL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，是子程序调用的常用的方法。
//在汇编中使用bl执行C语言的中断服务函数
push {r0, r1} @保存r0,r1
cps #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
算术运算指令：
逻辑运算指令：
参考正点原子嵌入式linux开发指南