RTOS学习笔记(2)：简述ARM架构与RTOS运行原理&ARM常用汇编指令
（2）简述ARM程序运行&ARM常用汇编指令
-
-
-
- 一、系统架构
- 二、常用汇编指令
- 1、寄存器组
- 2、汇编指令
-
- ① `MOV`指令（move）（传送指令）
- ② `LDR`指令（load）（读取数据指令）
- ③`STR`指令（store）（存储数据指令）
- ④`ADD` / `SUB` / `MUL`指令（算术运算指令）
- ⑤`CMP`指令（COMPARE）(比较指令)
- ⑥`B` / `BL`指令（branch / branch&link）(跳转指令)
- ⑦`PUSH` / `POP`指令（压栈 / 出栈指令）
- ⑧启动文件中常用的ARM汇编指令汇总
- 三、示例解析
- 四、中断产生时的程序&硬件处理流程
-
- ①将现场所有不受保护的寄存器入栈：
- ②取向量并执行中断函数：
- ③中断返回出栈与清除中断位：
-
-
该系列为学习笔记，旨在交流进步，如有错误烦请大家指出。
《Cortex M3权威指南》参考（8o27）
======专栏地址======
一、系统架构
以STM32F10X为例：
通过上第一图3个红框部分来说明简单的程序运行：
1、M3内核（第二图为其简化视图）：程序执行的核心。详细功能流程可参考《Cortex M3权威指南》。
2、Flash：存储程序，指令，常量等。
3、SRAM：存储变量。
u8 x = 1;
int main()
{
u8 y;
y = x;
return 0;
}
/*
如上代码的执行顺序便是：
1、M3内核从flash（程序存储在flash）中获取指令。
2、M3内核执行指令。
3、M3内核去读SRAM中x的值。
4、M3内核去写SRAM中y的值。
*/
二、常用汇编指令
1、寄存器组
上述读写操作会将值存储在内核中的寄存器组（如下图）中，而做出这些读写操作就需要一些汇编指令。
注：
R0-R12（通用寄存器）
R13（堆栈指针SP）:
主堆栈指针（MSP）：复位后缺省使用的堆栈指针，用于操作系统内核以及异常处理例程（包括中断服务例程）
进程堆栈指针（PSP）：由用户的应用程序代码使用。
R14(连接寄存器LR):当呼叫一个子程序时，由 R14 存储返回地址。
R15(程序计数器PC):指向当前的程序地址。如果修改它的值，就能改变程序的执行流。（联想学习笔记（1）中的最后部分，应该就有大概的RTOS框架了）。
ARM 过程调用标准AAPCS中比较重要的几条：
1、R0~R3：argument/scratch register用来传递参数和返回值，无需进行保护。
2、R4~R11：在需要使用这几个寄存器时，要先将其中数据入栈保护起来，并在使用结束前将数据出栈恢复。
3、R14(LR)：在跳转到子函数时LR会储存返回地址，但如果在子函数中再调用别的函数，就要将LR中的地址先入栈保护起来，若再调用依次类推，出栈时也是先将最后入栈的LR地址先恢复，以此类推。
2、汇编指令
部分指令格式以及注意事项也可参考《Cortex M3权威指南》中的第四章。
ARM 汇编器的最典型书写模式如下所示：
标号
操作码 操作数 1, 操作数 2, … ; 注释。
① MOV指令（move）（传送指令）
- 格式：MOV{条件} 目的寄存器，<操作数>
- 作用：设置初始值或者在寄存器间传送数据。
- 目的操作数要与源操作数类型要一致,不能一个是字，一个是字节。
/*
操作数的表示方式有：立即数，寄存器地址，或寄存器加偏移。
立即数：即立即寻址的一个数据，前面加个#,如0x00002700，去掉#就是直接寻址；
寄存器：加个[]，如[R1]；
寄存器偏移：[R1,R2],或者[R1,#8],[R1,LSL #8]等。
*/
MOV R0,#050aH ;将十六进制数050a 传送到通用寄存器R0中
MOV PC,LR ;从子程序中返回
② LDR指令（load）（读取数据指令）
- 格式：LDR{条件} 目的寄存器，<存储器地址>
- 作用：从对应存储器地址中读取32位的字数据到目的寄存器中。
- （
LDRB是读取8位的字节数据，LDRH是16位的半字数据）
LDR R0，#0x00002700 ;将数据0x00002700读入寄存器R0。
LDR R0，=0x00002700 ;将存储器地址0x00002700读入到寄存器R0。
LDR R0，[R1，＃8] ;将存储器地址为R1+8的内存单元数据读入寄存器R0。
LDR R0，[R1]，＃8 ;将存储器地址为R1的内存单元数据读入寄存器R0，然后R1=R1+8。
③STR指令（store）（存储数据指令）
- 格式：STR{条件} 源寄存器，<存储器地址>
- 作用：从源寄存器中将一个32位的字数据传送到存储器中
- （
STRB是发送8位的字节数据，STRH是16位的半字数据）
//使用方式可参考指令LDR
STR R0，[R1]，＃8 ;将R0中的字数据写入以R1为地址的存储器中，然后R1=R1+8。
STR R0，[R1，＃8] ;将R0中的字数据写入以R1＋8为地址的存储器中。
④ADD / SUB / MUL指令（算术运算指令）
//加
ADD R0,R1,#4 ;R0 = R1 + 4
//减
SUB R0,R1,R2 ;R0 = R1 - R2
//乘
MUL R0,R1,R2 ;R0=R1*R2
⑤CMP指令（COMPARE）(比较指令)
- 作用：比较两个操作数,并把结果存入CPSR供下一句语句使用。
（除R0~R15以外还有一些特殊功能寄存器，比如xPSR）
CMP R0,R1 ;比较R0,R1
⑥B / BL指令（branch / branch&link）(跳转指令)
- B：格式： B{条件} 目标地址
- 作用：立即跳转到给定的目标地址，从那里继续执行。
B main ;跳转到main地址处执行
- BL：格式： BL{条件} 目标地址
- 作用：跳转之前，会在寄存器R14 (LR)中保存当前地址，当跳转代码结束后，用
MOV PC,LR指令跳回来,这实际上就是C语言调用子函数的用法。
BL delay
⑦PUSH / POP指令（压栈 / 出栈指令）
汇编里把一段内存空间定义为一个栈，栈总是先进后出(FILO)。
图自CM3权威手册。
- PUSH：格式：PUSH 操作数（操作数可以是寄存器或立即数）
- 作用：寄存器的数据通过 PUSH 操作存入堆栈。俗称压栈。
- POP：格式：POP 操作数（操作数只能是寄存器）
- 作用：从堆栈中取回压入的数据。俗称出栈。
PUSH {R0 } ;把 R0 存入栈 & 调整 SP
PUSH {R1} ;把 R1 存入栈 & 调整 SP
PUSH {R2} ;把 R2 存入栈 & 调整 SP
//PUSH {R0-R2,R4, R6} ;压入 R0-R2,R4，以及 R6
… ;执行 程序 的功能，中途可以改变 R0-R2 的值
POP {R2} ;恢复 R2 早先的值 & 再次调整 SP
POP {R1} ;恢复 R1 早先的值 & 再次调整 SP
POP {R0} ;恢复 R0 早先的值 & 再次调整 SP
/*
PUSH {R0-R2, LR}
POP {R0-R2, PC} ;PC即是程序下一步要执行的地址，因此直接绕过LR即可
*/
⑧启动文件中常用的ARM汇编指令汇总
三、示例解析
以下示例代码是在keil环境，用模拟debug进行，MCU:STM32F103
int add(int a,int b)
{
return a+b;
}
int main(void)
{
int a=1;
int b=2;
int c;
c = add(a,b);
return c;
}
//main函数的disassembly对应关系
//int main(void)
0x080001B0 4770 BX lr
// {
0x080001B2 B530 PUSH {r4-r5,lr}
// int a=1;
0x080001B4 2301 MOVS r3,#0x01
// int b=2;
// int c;
0x080001B6 2402 MOVS r4,#0x02
// c = add(a,b);
0x080001B8 4621 MOV r1,r4
0x080001BA 4618 MOV r0,r3
0x080001BC F7FFFFF6 BL.W add (0x080001AC)
/*int add(int a,int b){
0x080001AC 4602 MOV r2,r0
return a+b;
0x080001AE 1850 ADDS r0,r2,r1
}*/
0x080001C0 4605 MOV r5,r0
// return c;
0x080001C2 4628 MOV r0,r5
// }
0x080001C4 BD30 POP {r4-r5,pc}
汇编码拆解：
注：
MOV加了S表示这个MOV指令会影响CPSR（当前程序状态寄存器）中的标志位。
BX lr //= MOV PC，LR
PUSH {r4-r5,lr} //把r4,r5和lr中的数据压入栈，在这之后可以操作这几个寄存器
/*
入栈顺序：
高地址
LR的数据
R5的数据
R4的数据 <- 堆栈指针SP指向最后一个被压入堆栈的32位数值，在下一次压栈时，SP先自减4，再存入新的数值。
低地址
*/
MOVS r3,#0x01 ;把1赋值给r3 //r3=1
MOVS r4,#0x02 ;把2赋值给r4 //r4=2
/*
如果a,b声明时用了volatile关键字，那么会把r3(a),r4(b)的值STR到栈中，这里没有
*/
MOV r1,r4 ;把r4赋值给r1 //r1=r4=2
MOV r0,r3 ;把r3赋值给r0 //r0=r3=1
BL.W add (0x080001AC) ;跳转到add函数地址0x080001AC，并存储当前地址到lr
/*进入add函数
MOV r2,r0 ;把r0赋值给r2 //r2=r0=1
ADDS r0,r2,r1 ;r0=r2+r1=1+2
(MOV PC，LR)
*/
MOV r5,r0 ;r5=r0=3
MOV r0,r5 ;return r0=r5=3
POP {r4-r5,pc} ;把先前入栈的数据弹出恢复到r4,r5,pc
/*
出栈顺序：
高地址
原先入栈的R4的数据 ->先从SP指针处读出上一次被压入的值，再把SP指针自增4。
原先入栈的R5的数据
原先入栈的LR的数据 //LR弹出到PC
*/
//将上述代码的c变量用volatile声明就会发现汇编的时候会将得到的c的值压入栈
//volatile int c;
0x080001B6 2402 MOVS r4,#0x02
//c = add(a,b);
0x080001B8 4621 MOV r1,r4
0x080001BA 4618 MOV r0,r3
0x080001BC F7FFFFF6 BL.W add (0x080001AC)
0x080001C0 9000 STR r0,[sp,#0x00] ;当前r0值存入当前sp(即r4) //c=r4=r0=r1+r2=3
//return c;
0x080001C2 9800 LDR r0,[sp,#0x00] ;读取当前sp指向的栈值到r0 //r0=c=3
四、中断产生时的程序&硬件处理流程
改该部分可参考《Cortex M3权威指南》的第9章中断/异常的处理。
①将现场所有不受保护的寄存器入栈：
由于中断会随时产生，假设现在在红色箭头出产生了中断，那么在处理中断函数时就可能导致r0~r3的值被改变，因此中断产生前必须保存所有寄存器的值，而产生中断就会调用中断函数，在调用函数时会保证r4~r11受到保护（参考前面的AAPCS），那么就只需要由硬件保存其他几种寄存器。
注意：这里PC才是中断返回的地址，LR只是之前储存的链接地址。
②取向量并执行中断函数：
数据总线执行入栈操作的时候，指令总线（I‐Code）正在从向量表中找到该中断函数的入口地址，然后执行该中断函数。
③中断返回出栈与清除中断位：
中断返回时先将之前保存的所有寄存器数值出栈，然后将NVIC寄存器中的中断标志位进行硬件清除。