02. ARM编程模型 & 汇编指令

1. ARM的基本设定

1）ARM数据类型

A. 基本数据类型

① Byte：字节，8位

② HalfWord：半字，16位（半字必须与2字节边界对齐）

③ Word：字，32位（字必须与4字节边界对齐）

④ DoubleWord（Cortex-A支持）：双字，64位（双字必须与8字节对齐）

说明：关于地址对齐

ARMv6版本前的ARM处理器必须是地址对齐的，需要地址对齐的原因一般如下：

A. 某些体系结构的CPU在访问未对齐的数据时会发生异常或产生不可预知的后果。

B. 有些CPU支持非对齐的数据访问，但会严重影响存取效率。

如果发生非对齐访问，可能有如下结果：

A. 非对齐的指令预取操作

当执行ARM指令时，如果PC的值非对齐（低2位不是0），要么指令执行结果不可预知，要么地址值的低2位被忽略。

当执行Thumb指令时，如果PC的值非半字对齐（最低位不是0），要么指令执行结果不可预知，要么地址值的最低位被忽略。

B. 非对齐的数据访问操作

对于Load/Store操作，如果是非对齐的数据访问操作，系统定义了下面三种可能的结果：

① 执行结果不可预知

② 忽略字单元地址的低2位，忽略半字单元地址的最低位。即访问地址为（address AND 0xFFFFFFFC）的字单元，或访问（addreee AND 0xFFFFFFFE）的半字单元

③ 忽略字单元地址的低2位，忽略半字单元地址的最低位。但这种忽略由存储系统实现，传递给存储系统时仍原封不动。

说明： 具体行为可通过CP15协处理器配置

B. 浮点数据类型

A. ARM硬件指令集中未定义浮点数据类型

B. 解决方法

① 在协处理器指令空间定义浮点指令，通过未定义指令异常来进行软件模拟；部分浮点运算也可由浮点运算协处理器FPA10以硬件方式完成。

② ARM公司提供了以 C语音编写的浮点库 作为ARM浮点指令集的替代方法。这种方法与软件仿真相比即快又紧凑，因为他避免了中断、译码和浮点指令仿真。

C. 存储器大小端

ARM同时支持大端模式（Big-endian）和小端模式（Little-endian），默认使用小端模式。

特别注意1：大小端模式问题只存在于多字节整型数据中

特别注意2：数据和代码在存储器中的存储格式必须和处理器采用的端格式一致

补充：上图中给出的是ARM v6之后的大小端模式，在ARM v4/5体系结构中，str 指令存储到内存中的多字节整型均采用小端模式，在ldr取出时才根据配置转换为大端或小端模式。使用CPSR的E位 + CP15_c1可以控制load/store endian，具体设置方式可参考《ARM Architecture Reference Manual》A2.7 Endian support（P72）

2）支持的指令集

A. ARM指令集（32 bit）

效率高，但代码密度低

B. Thumb指令集（16 bit）

代码密度高，但某些操作（e.g. 异常处理）必须切换到ARM模式运行。所以代码需要适时切换指令集。

ARM & Thumb模式切换是有开销的，而且二者的编译方式也不一样，这就增加了软件开发管理的负担。

C. Thumb2指令集（16 & 32big）

随ARM v7架构推出，在Thumb中加入部分32 bit指令，首次实现 16 bit & 32 bit指令并存，避免了指令集的切换 。目前主要应用在Cortex-M系列处理器中（e.g. Cortex-M3就只支持Thumb2指令集）。

当然， 使用Thumb2指令集也意味着不向后兼容 。

D. Java bytecode

Jazalle cores支持Java字节码

2. Cortex-A8编程模型

1）处理器工作模式

处理器工作模式	简写	描述
用户模式（User）	usr	正常程序执行模式，大部分任务执行在这个模式（用户  程序均运行在usr模式）
快速中断模式（FIQ）	fiq	高优先级（fast）中断产生时会进入这种模式，一般用于  高速数据传输和通道处理
中断模式（IRQ）	irq	低优先级（normal）中断产生时会进入这种模式，一般  用于通常中断处理
特权模式（Supervisor）	svc	当复位或软中断指令执行时会进入这种模式，是一种供  操作系统使用的保护模式（Uboot & Linux内核运行在svc模式）
数据访问中止模式（Abort）	abt	当存取异常时会进入这种模式，用于虚拟存储或存储保护
未定义指令中止模式（Undefined）	und	当执行未定义指令时进入这种模式，有时用于通过软件  仿真协处理器硬件的工作方式
系统模式（System）	sys	使用和User模式相同寄存器集的模式，用于运行特权级  操作系统任务
监控模式（Monitor）	mon	可以在安全模式与非安全模式之间进行转换

说明1：CPU为什么要设计多种工作模式？

① CPU是硬件，OS是软件。软件的设计要依赖硬件的特性，硬件的设计要考虑软件的需求，以便于实现软件特性。

② 操作系统有安全级别要求，因此CPU设计多种模式是为了方便操作系统的多种安全等级需要。

说明2：除用户模式外的其他7 种处理器模式称为 特权模式（Privilege Modes） ，在特权模式下程序 可以访问所有系统资源 ，也可以 任意地进行处理器模式切换 。

说明3：FIQ、IRQ、Supervisor、Abort、Undefined 五种模式又被称为 异常模式 。

说明4： 处理器模式可以通过软件控制进行切换，也可以通过外部中断或异常导致切换 。

说明5：对user模式的限制

① 只能通过产生异常（SWI异常）切换到其他模式（此处指主动要求切换模式）

② memory system和协处理器可以限制user mode对memory和协处理器的访问

不同模式的关键：操作权限与访问资源的不同!!!

2）寄存器组织

说明1：System模式使用和User模式相同的寄存器集，但System是特权模式

说明2：Cortex-A8处理器共有40个32位寄存器，其中

① 32个通用寄存器

② 7个状态寄存器：1个CPSR（Current Program Status Register，当前程序状态寄存器），6个SPSR（Saved Program Status Register，备份程序状态寄存器）。当特定异常/中断发生时，对应模式的SPSR负责存放CPSR的内容；当异常处理程序返回时，再将其内容恢复到CPSR中。

③ 1个PC（Program Counter，程序计数器）

说明3：r13和r14的通常用法

r13：用作栈指针SP（Stack Pointer），指向不同模式的栈区。 异常处理程序负责初始化自己的r13，使其指向该异常模式专用的栈区 。 在异常处理程序的入口会将用到的其他寄存器的值保存在栈区，返回时重新将这些值加载到寄存器中 。通过这种保护程序现场的方法，通常不会破坏被中断的程序现场。

future point：根据《ARM architecture reference manual》A2.4 General-purpose registers，ARM v6之后推荐新的sp使用方法：

并非初始化所有banked sp register，而是预先规划好使用的栈，然后调用 SRS指令 使用栈（即 可以规定不同的exception使用指定的栈 ）

r14：用作链接寄存器LR（Link Register），该寄存器在ARM体系结构中有下面两种特殊用途：

① 每一种处理器模式用自己的r14存放当前子程序的返回地址 。当通过 BL 或 BLX 指令调用子程序时，r14被设置成该子程序的返回地址。从子程序返回时，一般有如下两种场景：

a. 仅返回子程序调用点（BX可附带切换指令集）

MOV PC, LR

---------------

BX LR

b. 在子程序入口使用下面的指令将LR保存到栈中

STMFD SP!, {，LR}

在程序返回时使用相应的指令返回

LDMFD SP!, {，PC}

② 当异常/中断发生时，该异常模式的r14 被设置成该异常模式的返回地址 。

特别注意： 某些模式的r14 值可能与返回地址有一个常数的偏移量 （这点将在中断处理部分说明）。

个人：产生这个偏移量的根源是异常发生的时机!!!

补充：嵌套中断（nested exception）对LR的影响

① 当允许嵌套中断时，如果在IRQ handler中开中断，并且正好有中断发生。那么之前LR_irq中保存的中断返回地址会被覆盖

② 解决方案

进入IRQ handler后切换到另一个模式（手册推荐System mode），然后再开中断

说明4：程序状态寄存器详解

A. 条件标志位

N（Negative）、Z（Zero）、C（Carry）、V（overFlow）为条件标志位，这些标志位会 根据程序中的算术指令或逻辑指令的执行结果进行修改 ，而且这些标志位可 作为指令条件执行的依据 。

① N位：设置为当前指令运行结果的bit[31]的值。当有符号数补码运算时，N=1 表示结果为负数，N=0 表示结果为正数或零。

② Z位：Z=1 表示运算结果为0，Z=1 表示运算结果不为零。

③ C位：设置方法有如下四种

a. 在加法指令中（包括比较指令CMN），当结果产生了进位，则C = 1，表示无符号数运算发生上溢出；其他情况C = 0。

b. 在减法指令中（包括比较指令CMP），当运算中发生借位，即无符号数运算发生下溢出，则C = 0；其他情况C = 1。

c. 对于在操作数中包括移位操作的运算指令（非加/减指令），C被设置成被移位寄存器最后移出去的位。

d. 其他非加/减运算指令，C的值通常不受影响。

④V位：设置方法有如下两种

a. 对于加/减运算指令，当操作数和运算结果都是以 二进制补码表示的带符号数 ，且运算结果超出了有符号数运算的范围时发生溢出。V=1 表示有符号数运算溢出。

b. 对于非加/减运算指令，通常不改变V 的值。

B. 控制位

① 中断 禁止 位

I=1，IRQ被禁止

F=1，FIQ被禁止

② 处理器状态控制位

T=0，处理器处于ARM状态（执行32位ARM指令）

T=1，处理器处于Thumb状态（执行16位Thumb指令）

注1：T位仅在T系列ARM处理器上才有效，在非T系列中，T始终被置为0

注2：不能通过直接修改CPSR的T位来改变处理器的状态，因为直接修改CPSR的T位的结果不可预知，必须通过BX、BLX指令来修改。

③模式控制位

3. GNU ARM汇编语法格式

GNU ARM汇编程序中，每行的语法格式如下：

[ :] [] @comment

说明1：如果语句太长，可以将一条语句分几行来书写，在行末用\ 表示换行（即下一行与本行为同一句），\ 后不能有任何字符，包括空格和制表符

说明2：同一行中，ARM指令、伪指令、伪操作、寄存器名称等要么大写、要么小写，不可以大小写混合

各字段详解如下：

lable：为标号，可选。

① 可以使用字母、数字、下划线，除了 局部标号 外，必须以字母或下划线开头。

② 标号必须以：（冒号）结尾

③ GNU ARM中对标号的大小写敏感

instruction | directive | pseudo-instruction：可选项，为指令、伪指令、伪操作三者之一。

instruction：ARM 汇编指令 ，如mov r0, r1

pseudo-instruction：ARM 伪指令 ，伪指令不是真正的ARM指令， 汇编阶段汇编器会将其转化成一条或多条ARM指令 ，如ldr r0, =label

directive：GNU ARM 伪操作 ，伪操作只在汇编阶段起作用，其 不会被转换成ARM指令 ，只是用来控制汇编、链接器的动作。

@comment：可选项，GNU ARM 汇编语言注释语句，@为注释标识符

4. ARM指令的条件执行

ARM指令32位指令码的高4位为条件域

4位条件域有16种条件码，每个条件码根据CPSR中的条件标志位N、Z、C、V 来条件执行，具体条件码如下图：

说明1：无符号数使用higher/lower/same；有符号数使用greater/less/equal

说明2：用条件执行代替分支跳转可以大大提高程序效率，因为每次跳转都会清空流水线并重新装载指令。

5. ARM指令集概要

参考资料：

ARM Architecture Reference Manua

l.pdf

7.19MB

1）ARM指令集分类

① 数据处理类指令：完成CPU内部的计算（仅涉及寄存器）

② Load/Store指令：完成CPU与 内存/IO外设 之间的数据传输

③ 跳转指令：完成程序的跳转

④ 程序状态寄存器处理指令：完成CPSR的管理

⑤ 协处理器指令：完成CPU扩展功能的实现·

⑥ 异常产生指令：用户程序触发异常

说明：ARM汇编的寻址方式根据指令类型不同进行分类，即使是相同的寻址方式其编码方式也会有所不同（e.g. 允许的移位操作/立即数移位值的宽度），具体可查阅《ARM Architecture Reference Manual》A5. ARM Addressing Modes（P455）

2）分支跳转指令

A. B/BL/BX/BLX是一种 相对跳转（即地址无关操作） ，以PC寄存器的值作为跳转指令的基地址值。在指令执行过程中，会 从跳转的目标地址中减去跳转基地址，生成字节偏移量 。

B. B/BL/BX/BLX 的跳转范围为±32MB

解释：在B/BL/BX/BLX 指令编码中有24位有符号数用于存储跳转地址，照理24位只能寻址16MB，但ARM指令为32位定长，按4 字节对齐后两位为0，所以24位可以表示26位的范围，也即±32MB

C. BL/BLX 会将下一条指令的地址拷贝到r14寄存器中

小结：地址无关跳转更灵活，但跳转范围有限制；地址相关跳转可实现4GB跳转，但要求运行地址和链接地址一致。

补充：对于non-leaf 函数（非叶子函数），LR必须压栈保存

3）数据处理指令

A. 基本语法格式和寻址方式

关键是 第二操作数（shifter_operand）的多种寻址方式

关于立即数的说明：每个立即数由一个8位的常数循环右移偶数位得到，其中循环右移的位数由4 位二进制数的两倍表示（即2、4、6 ... 30）。

B. MOVS/MVNS 如何影响CPSR？

① 如果指令中的目标寄存器不是PC，根据指令传送的数值设置CPSR中的N位和Z位，并根据移位器的进位设置CPSR的C位；标志位V 和其他位不受影响。

② 如果指令中的目标寄存器是PC，则将当前处理器模式对应的SPSR的值复制到CPSR中，对于用户模式和系统模式，由于没有相应的SPSR，指令执行的结果不可预知。

指令MOVS PC, LR 可以实现从某些异常/中断中返回。

注：其余数据操作指令（ADD、ADC等等）的S位均涉及上述用法（但比较和测试指令默认影响CPSR中的标志位），关键就是当目标寄存器位PC时，可实现SPSR到CPSR的拷贝。

4）加载存储指令

A. 3 种Load/Store指令

① 单寄存器Load/Store指令（Single Register）

在ARM寄存器和存储器之间提供灵活的单数据项传送，数据项可以是字节、16位半字或32位字

② 多寄存器Load/Store内存访问指令

这些指令的灵活性比单寄存器传送指令差（只能传递32位字），但可以使大量的数据有效传递。一般用于进程的进入和退出、保存和恢复工作寄存器以及拷贝存储器中的一块数据。

③ 单寄存器交换指令（Single Register Swap）

这些指令允许寄存器和存储器中的数值进行交换，在一条指令中完成Load/Store操作，一般用于实现信号量（Semaphores）。

B. LDR Rd, lable

label 为程序标号，lable必须在当前指令 ±4KB范围内

注意和伪指令 LDR Rd, =label 区别开来!!!

特别说明：ldr 指令、ldr 伪指令及adr 伪指令辨析

代码如下：

反汇编内容如下：

首先要明确的是， 标号在汇编中表示一个地址（是一个32位无符号常数），所以标号也称为符号地址。特注特注!!! 标号表示的就是链接地址!!!

① ldr r0, _start：向r0中装载的是_start标号表达的地址中的内容，因为ldr 指令本质上用于将存储器中的值加载到寄存器中。

②adr r0, _start：adr伪指令将标签所表示的地址加载到寄存器中，执行时将基于PC相对偏移的地址值读取到寄存器中。因为是基于PC的，所以ADR读取到的地址值为位置无关地址。

③ldr r0, =_start：是伪指令，通过文本池向r0中装载的是_start表示的地址值，需要特别说明的是， 此处装载的是链接地址 （即0x2000800c）。这也说明对于这种 地址相关操作 ，在哪里链接就要在哪里执行，否则会出错。比如即使将这部分代码加载到内存0x20000000处执行，ldr r0, =_start向r0中装载的仍为0x2000800c。

补充：经我在Keil上仿真实验，上述结论是正确滴~~~

C. 有符号的字节/半字数据传送指令仅适用于Load操作

有符号的字节/半字数据传送指令仅适用于Load操作，即只有LDRSB和LDRSH。因为 只有读入字节或半字到寄存器时涉及零扩展还是符号扩展（因为寄存器都是32位） ，而写入内存时不存在这一问题。

D. 单寄存器Load/Store寻址方式

说明：此处的移位值只能是立即数形式，这也就是我前面说的，即使是相同的shift operand产生类型，编码方式也可能不同。

E. 多寄存器内存字数据传送指令（LDM/STM）

① 多寄存器传输时只能传输字，而不能是字节或半字

② 传输数据的对应关系： 编号低的寄存器对应于内存中的低地址单元，编号高的寄存器对应于内存中的高地址单元 。

③ ldmfd sp!, {r0-r7, pc} ^

若LDM指令在寄存器列表中包含PC且使用^ 后缀，那么除了正常的多寄存器传送外，还可将SPSR复制到CPSR，从而 实现从异常处理中返回 。

^ 后缀不允许在用户模式和系统下使用，因为这两个模式没有SPSR寄存器。

补充：如果使用^ 后缀但寄存器列表中不包含PC，则表示加载/存储的是用户模式寄存器，而不是当前模式寄存器。（还没见过实例~~）

④ 注意多寄存器数据传送指令中寻址方式的配套使用（块数据传输、堆栈操作）

在操作堆栈时要尽量使用配对的堆栈操作地址模式，这样只要主要使用相同的栈类型即可。

F. 交换指令（SWP/SWPB）

交换指令（SWP/SWPB）是Load/Store指令的一种特殊形式，该指令将一个存储器单元内容与指定的寄存器内容相交换。交换指令为进程间同步提供了一种方便的解决途径，该指令 生产一对原子Load/Store操作，该操作发生在一个连续的总线操作中 ，在操作期间阻止其他任何指令对该存储单元的读写。

future point：ARM v7版本中不推荐使用swap指令实现信号量，而是推荐使用 互斥的LDR/STR指令 （load and store register exclusive），即LDREX/STREX指令。这2条指令在操作过程中不会锁住所有系统资源。

5）程序状态寄存器访问指令

A. 状态寄存器的修改原则

① 不修改和使用状态寄存器中未定义的位

② 通常要遵循 读取---> 修改---> 写回 的原则，这样可以保证不影响其他未修改的位

B. MRS的使用场景

① 当需要保存或修改当前模式下CPSR或SPSR的内容时，首先必须将这些内容传递到通用寄存器中，对选择的位进行修改，然后将数据写回到状态寄存器。

② 当异常中断允许嵌套时 ，需要在进入异常处理程序之后，嵌套中断发生之前保存当前处理器模式的SPSR。这时需要先通过MRS指令读出SPSR的值，再用其他指令（如压栈指令）将SPSR的值保存起来。

③ 在进程切换时也需要保存当前程序状态寄存器的值。

C. MSR指令总结

① 只有在 特权模式下 才能修改状态寄存器

② 语法格式：

说明1：可以将通用寄存器或立即数（ 此处立即数为8位，范围从0x00到0xff ）传送到程序状态寄存器

说明2：有C（控制）、X（扩展）、S（状态）、F（标志），使用时可以是其中一个，也可以是他们的组合。

C（控制）：bit[0] ~ bit[7]

X（扩展）：bit[8] ~ bit[15]

S（状态）：bit[16] ~ bit[23]

F（标志）：bit[24] ~ bit[31]

6）异常产生指令

A. SWI指令功能

SWI 指令用于产生软中断，实现从用户模式切换到管理模式，CPSR保存到管理模式的SPSR，执行转移到SWI异常向量；在其他模式下使用SWI指令，处理器同样切换到管理模式。

B. SWI指令语法格式

ARM处理器对指令中的24位立即数不进行处理，其作用是提供给操作系统，从而判断用户程序请求的服务类型 。

C. SWI指令参数传递方式

① 指令中24位立即数指定了用户请求的类型，中断服务程序的参数通过寄存器传递

MOV R0，#34 @设置功能号为34

SWI 12 @产生软中断，中断号为12

② 指令中的24位立即数被忽略，用户请求的服务类型由寄存器r0的值决定，参数通过其他寄存器传递

MOV R0，#12 @设置12号软中断

MOV R1，#34 @设置子功能号为34

SWI 0

D. SWI Handler

① 确定引起软中断的SWI 指令是ARM指令还是Thumb指令，这可以通过对SPSR的访问得到

② 确定该SWI指定的地址，这可以通过访问LR寄存器得到

③ 读出指令，分解立即数

7）协处理器指令

A. ARM协处理器概述

① ARM协处理器具有自己专门的寄存器组 ，他们的状态由控制ARM状态指令的镜像指令来控制。

② 程序的 控制流指令由ARM处理器来处理 ， 所有协处理器指令只能同数据处理和数据传送有关 。按照RISC的Load/Store体系原则，数据的处理和传送指令是被严格分开的，因此他们有不同的指令格式。

③ ARM处理器支持最多16个协处理器，在程序执行过程中， 每个协处理器忽略ARM和其他协处理器的指令 。 当一个协处理器硬件不能执行属于他的协处理器指令时，将产生一个未定义指令异常中断 ，在该异常中断处理过程中， 可以通过软件仿真该硬件操作 。假设一个系统中不包含向量浮点运算器，则可以选择浮点运算软件包来支持向量浮点运算。

B. ARM协处理器指令分类

① 协处理器 数据操作 指令

说明：协处理器数据操作完全在协处理器内部操作，他完成协处理器寄存器的状态改变。如浮点运算，在浮点协处理器中将两个寄存器相加，结果放在第三个寄存器中。

示例：CDP

② 协处理器 数据传送 指令

说明：这类指令可实现从存储器读取数据装入协处理器寄存器，或将协处理器寄存器的数据装入存储器。因为协处理器可以支持自己的数据类型，所以每个寄存器传送的字数与协处理器有关。因此存储器地址由ARM处理器产生，但传送的字节由协处理器控制。

示例：LDC、STC

③协处理器 寄存器传送 指令（最常用）

说明：这类指令可实现 ARM处理器的寄存器 与 协处理器的寄存器 之间的数据交换

示例：MCR、MRC

C.MCR/MRC指令格式

MCR/MRC{} , , , , {, }

：指定协处理器，比如p15

：与协处理器相关的操作码

：ARM通用寄存器（不能为pc），作为MCR指令的源寄存器，MRC指令的目的寄存器

：CP15主寄存器，合法值为c0 ~ c15。作为MCR指令的目的寄存器，MRC指令的源寄存器

：CP15附加寄存器，提供本条指令的附加信息

：一般缺省或为0

说明：具体的使用实例可参考对应的ARM核手册

6. ARM汇编伪指令

1）关于伪指令

A. 伪指令是为汇编器服务的，不同的汇编器有不同的伪指令

B. 伪指令分类

① GNU 汇编器支持的ARM 伪指令

② GNU 汇编器支持的平台无关伪指令（也叫伪操作）

2）GNU汇编器支持的ARM伪指令

A. 概述

ARM伪指令在汇编阶段会被编译成ARM或者Thumb 指令（或指令序列）

B. ADR 伪指令

语法：ADR

功能：ADR 为 小范围地址读取 伪指令，ADR伪指令将 基于PC 的相对偏移地址 读取到寄存器中。当地址值字节对齐时，取值范围为-255~255；当地址值字对齐时，取值范围为-1020~1020；当地址值16字节对齐（即双字对齐）时，取值范围更大。

因为ADR伪指令中的地址是基于PC的，所以 ADR读取到的地址为位置无关地址（取到的地址是基于运行地址的） 。当ADR伪指令中的地址基于PC时，该地址与ADR伪指令必须在同一代码段中。

使用说明： ADR被汇编器汇编为一条指令 ，汇编器通常使用ADD 或SUB 指令来实现该伪指令的地址装在功能； 如果不能用一条指令来实现ADR 伪指令的功能，汇编器将报告错误终止汇编 。

示例：

start：MOV R0，#10

ADR R4，start @本ADR伪指令将被汇编为SUB R4，PC，#0xc

C. ADRL 伪指令

语法：ADRL

功能：ADRL为 中等范围 地址读取伪指令，ADRL也是将基于PC的相对偏移地址读到寄存器中。他比ADR伪指令读取的范围更大，当地址值字节对齐时，取值范围为-64KB~64KB；当地址值字对齐时，取值范围为-256KB~256KB；当地址值双字对齐时，取值范围更大。

使用说明：在实现上， ADRL被汇编器汇编为两条指令 ，即使一条指令可以完成该操作，汇编器也将产生两条指令，其中一条为多余指令。 如果汇编器不能再两条指令内完成操作，将报告错误终止汇编 。

D. LDR 伪指令

语法：LDR register, =expr @expr为32位常量表达式

功能：LDR伪指令用于装载一个 32位常数 或一个 地址 到寄存器，使用LDR伪指令装载地址是一种 位置相关 操作（ 取到的地址是基于链接地址的 ）。

使用说明：汇编器根据expr的取值情况做如下处理：

① 当expr 表示的地址值没有超过MOV或MVN指令的地址取值范围时，汇编器用一条MOV和MVN指令代替LDR伪指令

② 当expr 表示的地址值超过MOV或MVN指令的地址取值范围时，汇编器将常数放入数据缓存池，同时用一条基于PC的LDR装载指令读取该常数。

特别注意：缓存池所在地址与LDR伪指令处的PC值之间的偏移量是有限制的，ARM指令中为±4KB，Thumb指令中为0~1KB。

E. NOP伪指令

功能：NOP伪指令执行一条空操作，多用于延时。

使用说明：该指令一般被替换为MOV R0，R0

3）GNU汇编器支持的平台无关伪指令

A. 简介

① GNU 汇编器支持的平台无关伪指令 没有对应的机器码 ，他是用于 告诉汇编程序如何进行汇编 的指令。他既不控制机器的操作，也不被汇编成机器代码，只能为汇编程序所识别并指导汇编如何进行。

② 此处的汇编伪指令的名称都以" . "开始，余下的是字母，通常是小写字母

B. 符号定义伪指令

① 全局标号定义伪指令 .global 和.globl（.globl 是为了兼容其他汇编器）

说明：.global 使得符号对链接器（ld）可见，变为整个工程可用的 全局变量 ；由于将符号定义为全局变量，因此在整个工程范围内符号 必须唯一 。

语法：.global symbol

补充：.global 是定义一个全局标号，如果要声明一个外部符号，使用.extern label

② 局部标号定义伪指令 .local

说明：这个指令表示定义的符号名称作为一个局部的符号，这样他对外部就是不可见的，作用域在定义他的文件内（GNU汇编中标号默认具备局部属性）。

语法：.local symbol

③ 宏替换伪指令 .equ

说明：.equ 类似于C 语言中的宏定义，用于声明一个符号常量

关键：汇编器 不为.equ 声明的符号常量分配内存空间 ，只是在汇编时将其替换（和C语言中不带参数宏定义相同）

语法：.equ symbol, expr

示例：.equ num, 0x40

mov r1, # num @注意此处仍然需要井号，因为num是一个符号常量，本质上仍是常量

补充：.set 与.equ 语法、作用一样

C. 数据定义伪指令

注意：下面定义中的label是为方便程序员引用而设，即使没有也不影响内存单元的分配。（只是如果没有这个label，程序将很难访问分配的内存单元）

说明：数据定义伪指令一般用于为特定的数据 分配存储单元 ，同时可完成已分配存储单元的初始化。

伪指令列表：

① label: .byte expr

功能：在存储器中分配 一个 字节，并用指定的数据对存储单元进行初始化

expr 范围：-128 ~ 255，也可以是字符

② label: .short expr

功能：在存储器中分配 两个 个字节，并用指定的数据对存储单元进行初始化

expr 范围：-32768 ~ 65535

③ label: .word expr @ .long 的功能与.word 相同

功能：在存储器中分配 四个 个字节，并用指定的数据对存储单元进行初始化

expr 范围：-2^31 ~ 2^32

④ label: .quad expr

功能：在存储器中分配 八个 个字节，并用指定的数据对存储单元进行初始化

expr 范围：-2^63 ~ 2^64

⑤ label: .float expr

功能：在存储器中分配 四个 字节，并用指定的浮点数据对存储单元进行初始化

expr 范围：4字节范围内的浮点数值

⑥ label: .space size, expr

label: .skip size, expr

功能：分配 一片连续的存储区域 并初始化为指定的值，如果后面的填充值省略则在后面填充为0。该伪指令类似于在C语言中定义数组。

示例：a: .space 8, 0x1 @相当于在C语言中定义char a[8]，并将每个成员初始为为1

补充1：.zero size @分配size 个字节的数据空间，并用0 填充内存。

补充2：.fill

.fill repeat {,size} {,value}

repeat：重复填充的次数

size：每次填充的字节数，省略时默认为1 字节

value：对每次申请空间的填充值，省略时默认填充0

即每次分配repeat * size 个字节

示例：.fill 1024,2,0xffff

辨析：.space/.skip 都是以字节为单位分配内存，并可以初始化；而.fill 功能最强，可以指定每次分配的字节数；.zero 相当于.space/.skip 的简化版本，将申请的字节均初始化为0。

⑦ 定义字符串伪指令 .string 、 .ascii 、 .ascize

示例：lable: .string "str"

辨析：.ascii 伪操作定义的字符串需要自行添加结尾字符'\0'

⑧.rept count

功能：重复执行后面的指令，以.rept开始，以.endr结束

示例：

.rept 3

.long 0

.endr

上述指令相当于.long伪指令被执行3次

D. 汇编控制伪指令（.if、.else、.elseif.、.endif、.ifdef）

功能：汇编控制伪指令用于 控制汇编程序的执行流程 ，类似C语言中的 条件编译 。

使用说明：if、.else、.elseif.、.endif 伪指令能根据条件的成立与否决定是否执行某个指令序列。

示例：

.if logical-expression

instructions

.elseif logical-expression

instructions

.else

instructions

.endif

可见此处的使用和C语言中的条件编译非常相似。

E. 宏定义伪指令（.macro、.endm、.exitm）

功能：.macro、.endm伪指令可以将一段代码定义为一个整体，称为宏指令。然后就可以在程序中通过宏指令多次调用该段代码，而.exitm 指令用来退出当前的宏指令。

说明1：宏操作可以使用一个或多个参数，当宏操作被展开时，这些参数被相应的值替换。

说明2：宏操作的使用方式和功能与子程序有些相似，子程序可以提供模块化的程序设计、节省存储空间并提高运行速度。但在使用子程序结构时需要保护现场，这就增加了系统的开销。因此在代码较短且需要传递的参数较多时，可以使用宏操作代替子程序。

语法：

.macro 宏名 参数列表 @伪操作.macro定义一个宏

; codes @宏体

.endm @.endm 表示宏结束

① 在宏定义的第一行应声明宏的原型（包括宏明和所需参数）

② 包含在.macro和.endm之间的称为宏体

③ 如果宏使用参数，那么在宏体中使用该参数时需要添加 前缀\ ， 宏定义的参数还可以使用默认值 。

④ 在汇编程序中可以通过宏名来调用该指令序列，在源程序被汇编时，汇编器将宏调用展开，用宏定义的指令序列代替程序中的宏调用，并将实际参数传递给宏定义中的形式参数。

示例：

.macro SHIFTLEFT a, b

.if \b < 0

mov \a, \a, asr #-\b

.exitm

.endif

mov \a, \a, lsl #\b

.endm

F. 杂项操作伪指令

① .align

功能：通过填充字节的方式使当前位置满足一定的 对齐 方式

语法：.align abs-expr

abs-expr：对齐表达式，此处表示的对齐方式为2 的abs-expr次幂，即align 2 表示4 字节对齐

② .section

功能：用于定义一个段。

语法：.section sectionname @如 .section .text，但在实际使用中一般可省略.section

补充内容：.section 完整语法格式

.section section_name [, "flags"[, %type[,flag_specific_arguments]]]

用户可以通过.section 伪操作来自定义一个段，每一个段以段名开始，以下一个段名或者文件结尾结束。这些段都有缺省的标志（flags），链接器可以识别这些标志。ELF格式允许的段标志有：

a：可加载段

w：可写段

x：执行段

在定义段时，可以使用预定义段，.text、.data、.bss，他们将汇编系统预定义的段名编译到相应的代码段、数据段和bss段。需要注意的是，源程序中.bss 段应该在.text之前。

③ .data

功能：定义一个数据段

语法：.data subsectionname

④ .text

功能：定义一个代码段

语法：.text subsectionname

⑤ .include

功能：包含一个文件

语法：.include "s5pc100.h" @类似于C语言中的#include功能

⑥ .arm

功能：用于指定以下代码使用ARM指令集汇编，等价于 .code32

⑦ .thumb

功能：用于指定以下代码使用Thumb指令集汇编，等价于 .code16

⑧ .extern

功能：用于声明一个外部符号

语法：.extern symbol

⑨ .weak

功能：用于声明一个弱符号，即如果该符号没有定义，汇编时会被忽略而不会报错

语法：.weak symbol

⑩ .end

功能：代表汇编程序的结束，如果.end 后还有代码，不会被编译到执行文件中

语法：.end

7. ARM汇编语言程序结构

.section .data

初始化的数据

.section .bss

未初始化的数据

.section .text

.global _start

_start：

汇编代码 @GNU汇编语言中注释以@开始

补充：当程序较长时，可以将其分割为多个代码段和数据段，多个段在程序编译链接时最终形成一个可执行的映像文件。

8. 过程调用标准AAPCS/ATPCS

1）概要

A. AAPCS：Procedure Call Standard for the ARM Architecture， 为了使不同编译器编译的程序可以相互调用 ，必须为子程序间的调用制定一定的规则。

B. 纯汇编代码可以不遵循该标准，但只有遵循ATPCS标准才可以和编译器编译的C 语言代码相互调用（因为编译器编译的C 代码一定遵循ATPCS标准）。

C. 为了解决C和汇编相互调用，需要考虑3个方面：

① 规定 寄存器 使用

说明：硬件上并不区分寄存器的使用，但ATPCS标准对使用作了要求

② 规定 函数传参 方式（包括如何传递返回值）

③ 规定 栈 使用方法（满递减栈，FD）

2）寄存器使用规则

① 子程序间通过寄存器 R0、R1、R2、R3来传递参数 ，如果参数多于4 个（ 准确地说是传参需要使用的寄存器超过4个，比如传2 个double ），则 多出的部分用栈传递 ，被调用的子程序在返回前无需恢复寄存器R0~R3的内容。

② 在子程序中，使用寄存器R4~R11来保存局部变量 。如果在子程序中用到R4~R11中的某些寄存器，子程序进入时必须保存这些寄存器的值，在返回前必须恢复这些寄存器的值；对于子程序中没有用到的寄存器则不必进行这些操作。（在Thumb中通常只能用R4~R7来保存局部变量）。

③ 寄存器 R12 用作子程序间的 栈帧寄存器 ，记作ip，类似于X86下的EBP寄存器。

联系之前的内容，如果当前汇编函数是非叶子函数，lr 也必须在进入汇编函数时保存。

修正：R12并不是栈帧寄存器，而是内部过程调用寄存器；R11为栈帧寄存器。

R12用作过程调用时的临时寄存器（用于保存SP，在函数返回时使用该寄存器出栈），记作ip。在子程序间的连接代码段中常有这种使用规则。

参考资料：

http://blog.csdn.net/tianxiawuzhei/article/details/7422592

http://blog.csdn.net/songcdut/article/details/40654151

④ 寄存器R13用作 栈指针 ，记作 sp 。子程序中不能将R13用作其他用途，R13的值在进入子程序和退出子程序时必须相等。

⑤ 寄存器R14用作 链接寄存器 ，记作 lr 。用于保存子程序的返回地址，如果在子程序中保存了返回地址，R14可用作其他用途。

⑥ 寄存器R15用作 程序计数器 ，记作 pc 。他不能用于其他用途。

⑦ CPSR标志位可被函数调用破坏

3）参数传递

4）栈的使用

9. 汇编语言和C语言混合编程

1）C调用汇编

设汇编中有程序段asm_add

asm_add:

add r0, r0, r1

mov pc, lr

C代码中：

声明：int asm_add(int, int);

调用：int sum = asm_add(a, b);

汇编代码中：

声明： .global asm_add @使该标号对整个工程可见

参数：r0 ==> a

r1 ==> b

返回值：用r0带回

2）汇编调用C

特别注意：在用汇编代码调用C函数之前一定要设置好相应模式的栈!!!

设C中有函数int c_add(int, int);

C代码中：

供汇编代码调用的函数不能用static修饰，即该函数要对整个工程可见

汇编代码中：

调用：bl c_add @如果使用位置相关操作就是 ldr pc, =c_add

参数：r0和r1

返回值：在r0中

缺点：这种方式下，C语言只能调用以函数形式存在的汇编语言，所以还需要一个.S文件；而内嵌汇编就不需要。

3）内嵌汇编

A. 使用场景

① 程序中使用饱和算出运算（Saturating Arithmetic），如SSAT16和USAT16指令

② 程序中需要对 协处理器 进行操作

③ 程序中需要对 程序状态寄存器 进行操作

B. 语法格式（GNU风格）

① C 内嵌汇编以关键字__asm__（注意是两个下划线）或asm 开始，下辖四个部分。各部分之间使用"："分开，第一部分是必须写的，后面三个部分可以省略，但"："不能省略。但如果没有破坏描述部分，该字段的"："必须省略。

② 汇编语句部分：

a. 汇编语句的集合，可以包含多条汇编语句，每条语句之间需要用转义换行符\n 隔开。

b. 无论汇编语句有多长，对C 语言都只是一条语句。

c. 汇编语句字符串内除了放置汇编指令，还可以放置标签、变量、循环和宏等，总之和直接写汇编文件一样。

d. 编译器不会检查汇编语句的内容是否合法，而是直接将其交给汇编器

③ 输出部分：在汇编中被修改的C 变量列表（ASM ---> C）

__asm__ __volatiole__ (

"asm code"

: "constraint"(variable)

);

a. constraint 定义了variable 的存储位置，constraint 可以是：

r：使用任何可用的通用寄存器

m：使用变量的内存地址

b. output 修饰符

+：可读可写

=：只写

&：该输出操作数不能使用输入部分使用过的寄存器，只能用+& 或=& 的方式使用

示例：

说明1：%0 为占位符，按序号就是输出时使用的参数

说明2：最后的"memory"用于指出本段汇编代码修改了内存

④ 输入部分：作为参数输入到汇编中的变量列表（C ---> ASM）

__asm__ __volatiole__ (

"asm code"

:

: "constraint"(variable/immediate)

);

constraint 定义了variable/immediate 的存储位置

r：使用任何可用的通用寄存器（变量和立即数都可以）

m：使用变量的内存地址（不能用立即数）

i：使用立即数（不能用变量）

注：当输入部分为立即数时，立即数前不用加#

示例：

⑤ 破坏描述部分：执行汇编指令会破坏的寄存器描述

⑥ volatile告诉编译器，不要对接下来的代码进行优化，如果想优化可以不加

⑦ 使用占位符

说明1：占位符的顺序： 序号的排列根据output部分和input部分参数出现的顺序确定 ，上例中0 就代表变量old；1 就代表变量temp

说明2：使用占位符时在序号前加% 即可

⑧ 引用占位符（注意区别于使用占位符）

int num = 100;

__asm__ __volatile__ (

"add %0, %1, #100"

: "=r"(num)

: "0"(num) @此时%1会和%0使用同一个寄存器

);

input 部分的0 即代表%0，引用时不可以加% ，且 只能input 引用output ；引用是为了分清输出、输入部分

特别注意：内嵌汇编部分圆括号后的；不能遗漏!!!