ARM裸机-9

1、ARM汇编指令集

1.1、两个概念：指令与伪指令

        (汇编) 指令是CPU机器指令的助记符，经过编译后会得到一串10组成的机器码，可以由CPU读取执行。

        (汇编)伪指令本质上不是指令 (只是和指令一起写在代码中)，它是编译器环境提供的，目的是用来指导编译过程，经过编译后伪指令最终不会生成机器码。

1.2、两种不同风格的ARM指令

        ARM官方的ARM汇编风格:：指令一般用大写、Windows中IDE开发环境 (如ADS、MDK等) 常用。如：LDR RO，[R1]。

        GNU风格的ARM汇编:：指令一般用小写字母、linux中常用。如:：ldr ro，[r1]。

1.3、ARM汇编特点

1.3.1、LDR/STR架构

        ARM采用RISC架构，CPU本身不能直接读取内存，而需要先将内存中内容加载入CPU中通用寄存器中才能被CPU处理。

        ldr (load register) 指令将内存内容加载入通用寄存器。

        str (store register) 指令将寄存器内容存入内存空间中。

        ldr/str组合用来实现 ARM CPU和内存数据交换。

1.3.2、8种寻址方式

        寄存器寻址                                                                mov r1, r2

        立即寻址                                                                   mov r0,#OxFF00

        寄存器移位寻址                                                        mov r0, r1, Isl #3

        寄存器间接寻址                                                        ldr r1, [r2]

        基址变址寻址                                                            ldr r1, [r2, #4]

        多寄存器寻址                                                            ldmia r1!, {r2-r7, r12}

        堆栈寻址                                                                   stmfd sp!, {r2-r7, lr}

        相对寻址                                                                   flag:beq flag

1.3.3、指令后缀

同一指令经常附带不同后缀，变成不同的指令。经常使用的后缀有：

        B (byte) 功能不变，操作长度变为8位

        H (half word)功能不变，长度变为16位

        S(signed)功能不变，操作数变为有符号

        例如：ldr ldrb ldrh ldrsb ldrsh

        S(S标志)功能不变，影响CPSR标志位。

        例如：mov和movs

1.3.4、条件执行后缀

1.3.5、多级指令流水线

        为增加处理器指令流的速度，ARM使用多级流水线，下图为3级流水线工作原理示意图。(S5PV210使用13级流水线，ARM11为8级)

        - 允许多个操作同时处理，而非顺序执行。

        PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令。 

1.4数据传输和跳转指令集

1.4.1、数据处理指令

        数据传输指令                                         mov mvn

        对比：mov是原封不动的传递，而mvn是按位取反后传递

        算术指令                                                add sub rsb adc sbc rsc

        逻辑指令                                                and orr eor bic

        比较指令                                                cmp cmn tst teq

        对比：比较指令用来比较两个寄存器中的数；比较指令不用后加s后缀就可以影像CPSR中的标志位。

        乘法指令                                                mvl mla umull umlal smull smla  

        前导零计数                                            clz

1.4.2、CPSR访问指令

        mrs&msr

        mrs用来读psr，msr用来写。

        CPSR寄存器比较特殊，需要专门的指令访问，这就是mrs和msr。

1.4.3、跳转（分支）指令

        b & bl & bx

        b 直接跳转 (就没打开算返回)

        bl(branch and link)，跳转前把返回地址放入lr中，以便返回，以便用于函数调用

        bx跳转同时切换到ARM模式，一般用于异常处理的跳转

1.4.4、访存指令

        ldr/str & ldm/stm & swp

        单个字/半字/字节访问 ldr/str

        多字批量访问 Idm/stm

        swp r1, r2, [r0]

        swp r1, r1, [r0]

1.4.5、立即数

        在数字之前要加#，机器才知道这是个数字

        合法立即数与非法立即数

        ARM指令都是32位，除了指令标记和操作标记外，本身只能附带很少位数的立即数。因此立即数有合法和非法之分。

        合法立即数：经过任意位数的移位后非零部分可以用8位表示的即为合法立即数。

1.4.6、软中断指令

        swi（software interrupt）

        软中断指令用来实现操作系统中系统调用

1.5、协处理器和协处理器指令

1.5.1、什么是协处理器

        SoC内部另一处理核心，协助主CPU实现某些功能，被主CPU调用执行一定任务。

        ARM设计上支持多达16个协处理器，但是一般SoC只实现其中的CP15（cp：coprocessor）。

        协处理器和MMU、cache、TLB等处理有关功能上和操作系统的虚拟地址映射、cache管理等有关。

1.5.2、协处理器cp15操作指令

        mcr & mrc

        mrc用于读取CP15中的寄存器

        mcr用于写入CP15中的寄存器

1.5.3、mrc & mcr的使用方法

mcr{} p15,,,,,{}
//opcode_1:对于cp15永远为0
//Rd:ARM的普通寄存器
//Crn: cp15的寄存器，合法值是c0~c15
//Crm: cp15的寄存器，一般均设为c0
//opcode_2:一般省略或为0

1.5.4、协处理器学习要点

        不必深究，将uboot中和kernel中起始代码中的一般操作搞明白即可。

        只看一般用法，不详细区分参数细节，否则会陷入很多复杂未知中。

        关键在于理解，而不在于记住。

1.6、ldm/stm与栈的处理

1.6.1、为什么需要多寄存器访问指令

        ldr/str每周期只能访问4字节内存，如果需要批量读取、写入内存时太慢，解决方案是stm/ldm。

        ldm(load register mutiple)

        stm(store register mutiple)

1.6.2、八种后缀

        ia (increase after) 先传输，再地址+4

        ib (decrease before) 先地址+4，再传输

        da (decrease after) 先传输，再地址-4

        db (decrease before) 先地址-4，再传输

        fd (full decrease) 满递减堆栈

        ed (empty decrease) 空递减堆栈

        fa (......) 满递增堆栈

        ea (......) 空递增堆栈

1.6.3、四种栈

        空栈：栈指针指向空位，每次存入时可以直接存入然后栈指针移动一格；而取出时需要先移动一格才能取出。

        满栈:栈指针指向栈中最后一格数据，每次存入时需要先移动栈指针一格再存入；取出时可以直接取出，然后再移动栈指针。

        增栈:栈指针移动时向地址增加的方向移动的栈。

        减栈:栈指针移动时向地址减小的方向移动的栈。

1.6.4、！的作用

ldmia r0, {r2-r3}
ldmia ro!, {r2-r3}

        感叹号的作用就是r0的值在ldm过程中发生的增加或者减少最后写回到r0去，也就是说ldm时会改变r0的值。

1.6.5、^的作用

ldmfd sp!, {r0-r6,pc}
ldmfd sp!, {r0-r6,pc}^

        在目标寄存器中有pc时，会同时将spsr写入cpsr，一般用于异常模式返回。

1.6.6、总结

        批量读取或写入内存时要用ldm/stm指令。

        各种后缀以理解为主，不需记忆，最常见的是stmia和stmfd。

        谨记：操作栈时使用相同的后缀就不会出错，不管是满栈还是空栈、增栈还是减栈。

1.7、伪指令

1.7.1、伪指令的意义

        伪指令不是指令，伪指令和指令的根本区别是经过编译后会不会生成机器码。

        伪指令的意义在于指导编译过程。

        伪指令是和具体的编译器相关的，我们使用gnu工具链，因此学习gnu环境下的汇编伪指令。

1.7.2、gnu汇编中的一些符号

        @ 用来做注释。可以在行首也可以在代码后面同一行直接跟，和C语言中//类似。

        # 做注释，一般放在行首，表示这一行都是注释而不是代码。

        : 以冒号结尾的是标号。

        . 点号在gnu汇编中表示当前指令的地址。

        # 立即数前面要加#或$，表示这是个立即数。

1.7.3、常用伪指令

.global _start    @ 给_start声明外部链接属性
.section .text    @ 指定当前段为代码段
.ascii .byte .short .long .word .quad .float .string @ 定义变量数据
.align 4    @ 以16字节对齐
.balignl 16 0xabcdefgh @ 16字节对齐填充
@b表示位填充；align表示要对齐；l表示long，以4字节为单位填充；16表示16字节对齐；0xabcdefgh是用来填充的原料。
.equ     @ 类似于C中宏定义

1.7.4、偶尔会用到的gpu伪指令

.end                @标识文件结束
.include            @头文件包含
.arm/.code32        @声明以下为arm指令
.thumb/.code16      @声明以下为thubm指令

1.7.5、最重要的几个伪指令

ldr            大范围的地址加载指令
adr            小范围的地址加载指令
adrl           中等范围的地址加载指令
nop            空操作

        ARM中有一个ldr指令，还有一个ldr伪指令，一般都是用ldr伪指令而不是ldr指令。

ldr r0, #0xff        @ldr指令
ldr r0, =0xff        @伪指令

1.7.6、adr与ldr

        adr编译时会被1条sub或add指令替代，而ldr编译时会被一条mov指令替代或者文字池方式处理。

        adr总是以PC为基准来表示地址，因此指令本身和运行地址有关，可以用来检测程序当前的运行地址在哪里。

        ldr加载的地址和链接时给定的地址有关，由链接脚本决定。