arm裸机【1】 --- ARM的汇编指令

两个概念：指令与伪指令
指令是CPU机器指令的助记符，经过编译后会得到一串1010…组成的机器码，可以由CPU读取执行。
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。
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(指令可以类比为米，编译过程就是相当于煮饭的过程，最后生成的饭就是相当于1010的机器码，让CPU读取，而伪指令就相当于煮饭用的锅，只参与煮饭（编译过程），最终锅是不会成为米饭的)

一.ARM汇编的特点

ARM汇编特点1：LDR/STR架构

ARM采用RISC架构，这种架构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

ARM汇编特点2：8种寻址方式

寻址方式	汇编语句	内容解析
寄存器寻址	mov r1, r2	r2的值赋值给r1
立即寻址	mov r0, #0xFF00	把16进制数#0xFF00赋值给r0
寄存器移位寻址	mov r0, r1, lsl #3	把r1里面的数左移3位后赋值给r0 (右移lsr)
寄存器间接寻址	ldr r1, [r2]	把r2里面存的地址相对应的内容赋值给r1(r2相当于是一个指针)
基址变址寻址	ldr r1, [r2, #4]	把r2l里面存的地址加4后相对应的内容赋值给r1
多寄存器寻址	ldmia r1!, {r2-r5, r12}	r1作为基地址 r2 <-[r1] , r3 <-[r1+04] ,r4 <-[r1+08] , r5 <- [r1+12] , r12 <-[r1+16]
堆栈寻址	stmfd sp!, {r2-r7, lr}	把r2 - r7寄存器里面的内容压到内存的栈上
相对寻址	beq flag flag:	flag: 标号用于标记后面那句指令的地址，常用于表示入口点，类似于C语言中的函数名；C语言中的goto可以跳转到一个标号，在arm汇编中用指令b flag:j就可以跳转到flag:对应的标号处执行

ARM汇编特点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
如 ldr ldrb ldrh ldrsb ldrsh
S（S标志）功能不变，影响CPSR标志位
如 mov和movs movs r0, #0

ARM汇编特点4：条件执行后缀

mov r0, r1		@ 相当于C语言中的r0 = r1;
moveq r0, r1	@ 如果eq后缀成立，则直接执行mov r0, r1；如果eq不成立则本句代码直接作废，相当于没有
				@ 类似于C语言中 if (eq){r0 = r1;}

条件后缀执行注意2点：
1、条件后缀和程序状态寄存器CPSR的标志位相关，条件后缀是否成立，不是取决于本句代码，而是取决于这句代码之前的代码运行后的结果。
2、条件后缀决定了本句代码是否被执行，而不会影响上一句和下一句代码是否被执行。

ARM汇编特点5：多级指令流水线

PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令为增加处理器指令流的速度，ARM使用多级流水线.，（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，一般中断返回到PC时需要注意流水线的问题。

下图为3级流水线工作原理示意图。

二.常用的ARM指令

6类指令：
数据处理指令：
——数据传输指令， MOV MVN
——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
——乘法指令， MUL MLA UMULL UMLAL SMULL SMLAL
——前导零计数。
程序状态寄存器访问指令：MRS MSR
跳转指令： B BL BX
访存指令： LDR/STR LDM/STM SWP
异常中断产生指令： SWI
协处理器指令: mcr mrc

1.数据处理指令：

指令名称	指令语句	内容解析
数据传输指令	mov mvn	(1) mov(move): mov r1,r0 @两个寄存器之间数据传递; (2) mov r1,#0xff @将立即数赋值给目标寄存器; (3) mvn和mov用法一样，区别是mov原封不动传递，而mvn是按位取反后传递。
算术指令	add sub rsb adc sbc rsc	add（加法运算） sub（减法运算） rsb（反减运算） adc（带进位的加法运算） sbc（带进位的减法运算） rsc（带进位的反减指令）
逻辑指令	and orr eor bic	and（逻辑与） orr（逻辑或） eor（逻辑异或） bic（位清除指令）
比较指令	cmp cmn tst teq	cmp（等价于sub r2,r0,r1(r2=r0-r1)） cmn（等价于add r0,r1） tst（对特定位进行操作） teq（对两个数进行异或）；比较指令不用加s后缀就可以影响spsr中的标志位
乘法指令	mvl mla umull umlal	实际编程比较少用
前导零计数	clz	统计一个数的二进制位前面有几个0

2.程序状态寄存器CPSR访问指令：

由于cpsr寄存器比较特殊，需要专门的访问指令：
mrs： 用来读cpsr
msr： 用来写cpsr
cpsr和spsr的区别： cpsr是程序状态寄存器，整个soc中只有一个，而spsr有5个，分别在5中异常模式下，作用是当进入异常模式时，用来保存之前普通模式下的cpsr，以在返回普通模式时恢复原来的cpsr。

3.跳转指令

b: 直接跳转。（就没打算返回）
bl（branch and link）： 跳转前把返回地址放入lr寄存器中，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。

4.访存指令

ldr： 加载指定内存地址的数据到寄存器，按照字节访问
str： 加载指定寄存器数据到内存地址中，按照字节访问
ldm： 和ldr功能一样，一次多字节多寄存器访问
stm： 和str功能一样，一次多字节多寄存器访问
swp： 内存和寄存器互换指令，一边读一边写，例如：swp r1,r2,[r0]把r0地址中的数赋给r1，再把r2赋给r0地址中，相当于做了一个交换；而指令swp r1,r1,[r0] 也可以表示内存和寄存器交换内容。

5.软中断指令

swi(software interrupt)：在软件层模拟产生一个中断，这个中断会传送给CPU，常用于实现系统调用

三.ARM中的立即数

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
举列子：

合法立即数： 0x000000ff	0x00ff0000 0xf000000f 
非法立即数： 0x000001ff

四.协处理器与指令

1.协处理器

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。
CPU中的寄存器都是以R开头的，协处理器中的寄存器都是以C开头的。

2.协处理器指令

mrc： 读取CP15中的寄存器
mcr： 向CP15中的寄存器写数据
指令用法：mcr{<”cond”>} p15,<”opcode_1”>,<”Rd”>,<”Crn”>,<”Crm”>,{<”opcode_2”>}
其中：opcode_1：对于CP15永远为0；
Rd：ARM通用寄存器；
Crn：CP15寄存器，取值范围c0~c15；
Crm：CP15寄存器，一般为c0；
opcode_2：省略或者为0。

3.ldm,stm和栈

ldr与str只能访问4个字节，当数据较大的时候，就会明显的降低效率，这时就需要使用到ldm和stm，ldm与stm是大量的从寄存器与内存交换数据的方式，常用于在内存和寄存器之间大量读取和写入数据。
ldm（load register multiple） ：读指令
stm（store register multiple）：写指令

后缀的使用：

ia：increase after，后增加，表示每个操作的时候，先传输数据，后增加内存地址
ib：increase before，先增加，表示在每个操作的时候，先增加内存地址，再进行数据传输
da：decrease after：和ia一样，差别在于减少地址
db：decrease before：和ib一样，差别在于减少地址
fd：full decrease：满递减堆栈，查看栈的描述
ed：empty decrease：空递减堆栈
fa：满递增堆栈
ea：空递增堆栈
操作栈时使用相同的后缀就不会出错

堆栈（栈）

空栈：栈指针指向空位，每次可以直接存入，然后栈指针(SP)递增或者递减1格，取的时候要递增或者递减1格才能取出
满栈：SP指向栈最后1格数据，存入的时候需要先移动1格才能存入，取的时候可以直接取出
增栈：SP向地址增加的方向移动
减栈：SP向地址减少的方向移动

4.汇编语言中的符号

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

！ 的作用是r0的值在ldm过程中发生的增加或减少最后写回到r0去，也就是说ldm时会更新r0的值。

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

^ 的作用：在目标寄存器中有pc时，会同时将spsr写入到cpsr，一般用于从异常模式返回。

五.ARM汇编伪指令

1.GNU汇编符号

[@，#，//，/~/] 注释，和C语言的//是一样的
： 冒号，在汇编中以冒号结尾的是标号，标号标记标号后面的指令的地址，举例汇编的死
循环： flag： b flag
. 点号，代表当前指令的地址，例如：b .指令会进入死循环
#立即数前面要加#或$，代表一个立即数(不区分进制)

2.常用GNU伪指令

.global_start： 给_start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： 定义各种类型的数据
举例：

IRQ_STACK_START:
	.word	0x0badc0de
等价于 unsigned int IRQ_STACK_START = 0x0badc0de;

.align 4： 以16字节对齐（2的4次方）
uboot里的（.balignl 16 0x3C）解析： b表示填充，align表示对齐，l表示long，以4字节为单位填充，16表示以16字节对齐，0x3C是用来填充的原料
如下：

0x00000008:		.balignl 16, 0xdeadbeef        //（假设起始地址）
0x0000000c		0xdeadbeef                    //0xdeadbeef  填充到此地址
0x00000010: 	                             //    下一条指令存放的地址

.equ： 宏定义
.end： 表示一个文件的结束
.include： 用于包含头文件
.arm / .code32： 声明以下的代码是arm指令
.thumb / .code16： 声明以下的代码是thumb指令

3.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
adr和ldr的差别：ldr加载的地址在链接时确定，而adr加载的地址在运行时确定；所以我们可以通过adr和ldr加载的地址比较来判断当前程序是否在链接时指定的地址运行。
ARM中有一个ldr指令，还有一个ldr伪指令，在一般情况下使用的是伪指令。

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

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