嵌入式 uboot常见汇编指令小结

在嵌入式开发中，汇编程序常常用于非常关键的地方，比如系统启动时初始化，进出中断时的环境保护，恢复等对性能有要求的地方。

ARM指令集可以分为六大类，分别为数据处理指令、Load/Store指令、跳转指令、程序状态寄存器处理指令、协处理器指令和异常产生指令。
ARM指令使用的基本格式如下：
〈opcode〉{〈cond〉}{S}     〈Rd〉，〈Rn〉{，〈operand2〉}
opcode 操作码；指令助记符，如LDR、STR等。
cond 可选的条件码；执行条件，如EQ、NE等。
S 可选后缀；若指定“S”，则根据指令执行结果更新CPSR中的条件码。
Rd 目标寄存器。
Rn 存放第1操作数的寄存器。
operand2 第2个操作数
 
arm的寻址方式如下：
立即寻址
寄存器寻址
寄存器间接寻址
基址加偏址寻址
堆 栈寻址
块拷贝寻址
相对寻址
这里不作详细描述，可以查阅相关文档。
 
数据处理指令
Load/Store指令
程序状态寄存器与通用寄存器之间的传送指令
转移指令
异常中断指令
协处理器指令

1、  相对跳转指令：b、bl

其中bl除了跳转之外，还将返回地址保存在lr寄存器中。这两条指令的可跳转范围是当前指令的前后32MB。它们是位置无关的指令。

b funa
....
funa:
    b funb
....
funb:
....

2、数据传送指令mov，地址读取伪指令ldr
mov指令可以把一个寄存器的值赋给另外一个寄存器，或者把一个常数赋给寄存器。
mov r1, r2
/*上面是r1 = r2*/
mov r1,#1024
/*r1 = 1024*/

mov传送的常数必须能用立即数来表示。当不能用立即数表示时，可以用ldr命令来赋值。
ldr是伪命令，不是真实存在的指令，编译器会 把它扩展成真正的指令；如果该常数能用“立即数”来表示，则使用mov指令，否则编译时将该常数保存在某个位置，使用内存读取指令把它读出来。
ldr r1, = 1024
/*r1 = 1024*/

3、内存访问指令 ldr、str、ldm、stm
ldr既可以指地址读取伪指令，也可以是内存访问指令。当他的第二个参数前面有'='时标伪 指令，否则表内存访问指令。
ldr指令从内存中读取数据到寄存器，str指令把寄存器的指存储到内存中，他们的操作数都是32位的。
 
ldr r1, [r2, #4] /*将地址为r2+4的内存单元数据读取到r1中*/
ldr r1,[r2]  /*将地址为r2的内存单元数据读取到r1中*/
ldr r1,[r2],  #4/*将地址为r2的内存单元数据读取到r1中，然后r2=r2+4*/
str r1 ,[r2,  #4]/*将r1的数据保存到地址为r2+4的内存单元中*/
str r1, [r2]/*将r1的数据保存到地址为r2的内存单元中。*/
str r1,  [r2],#4/*将r1的数据保存到地址为r2的内存单元，然后r2= r2+4*/

批量数据加载/存储指令LDM（或 STM）指令的格式为：
LDM（或 STM）{条件}{类型} 基址寄存器{！}，寄存器列表{∧}
LDM（或 STM）指令用于从由基址寄存器所指示的一片连续存储器到寄存器列表所指示的多个寄存器之间传送数据，该指令的常见用途是将多个寄存器的内容入栈（SDM）或出栈(LDM)。其中，{类型}为以下几种情况：
IA  每次传送后地址加 1；
IB  每次传送前地址加 1；
DA  每次传送后地址减 1；
DB  每次传送前地址减 1；
FD  满递减堆栈；
ED  空递减堆栈；
FA  满递增堆栈；
EA  空递增堆栈；

ldmia   r0!, {r3-r10}  /*将基址寄存器r0开始的连续8个地址单元的值分别赋给r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9,r10,注意的是r0指定的地址每次赋一次r0会加1,

指向下一个地址单元*/

stmia   r1!, {r3-r10} /*跟上面指令功能相反，将寄存器r3到r10的值依次赋值给r1指定的地址单元，每次赋值一次r1就加1*/

4，CMP 指令的格式
CMP{条件} 操作数 1，操作数 2
CMP 指令用于把一个寄存器的内容和另一个寄存器的内容或立即数进行比较，同时更新 CPSR 中条件标志位的值。该指令进行一次减法运算，但不存储结果，只更改条件标志位。标志位表示的是操作数 1 与操作数 2 的关系(大、小、相等)，例如，当操作数 1 大于操作操作数 2，则此后的有 GT 后缀的指令将可以执行。
指令示例：
CMP  R1，R0  ；将寄存器R1的值与寄存器R0的值相减，并根据结果设置CPSR的标志位
CMP R1，＃100 ；将寄存器R1的值与立即数100相减，并根据结果设置CPSR的标志位

copy_loop:
        ldmia   r0!, {r3-r10}           /* copy from source address [r0]    */
        stmia   r1!, {r3-r10}           /* copy to   target address [r1]    */
        cmp     r0, r2                  /* until source end addreee [r2]    */
        ble     copy_loop /*比较r0和r2的值，如果不相等则重新跳到copy_loop处*/

5，ORR 指令的格式
ORR{条件}{S} 目的寄存器，操作数 1，操作数 2
ORR 指令用于在两个操作数上进行逻辑或运算，并把结果放置到目的寄存器中。操作数 1应是一个寄存器，操作数 2 可以是一个寄存器，被移位的寄存器，或一个立即数。该指令常用于设置操作数 1 的某些位。
指令示例：
ORR    R0，R0，＃3             ； 该指令设置R0的0、1位，其余位保持不变。

6，BIC 指令的格式
BIC{条件}{S} 目的寄存器，操作数 1，操作数 2
BIC指令用于清除操作数1 的某些位，并把结果放置到目的寄存器中。操作数 1 应是一个寄存器，操作数 2 可以是一个寄存器，被移位的寄存器，或一个立即数。操作数 2 为 32 位的掩码，如果在掩码中设置了某一位，则清除这一位。未设置的掩码位保持不变。
指令示例：
BIC    R0，R0，＃％1011     ； 该指令清除 R0 中的位 0、1、和 3，其余的位保持不变。

7、程序状态寄存器的访问指令msr,mrs

ARM指令中有两条指令，用于在状态寄存器和通用寄存器之间传送数据。修改状态寄存器一般是通过“读取－修改－写回”三个步骤的操作来实现的。  这两条指令分别是：
状态寄存器到通用寄存器的传送指令（MRS）
通用寄存器到状态寄存器的传送指令（MSR）

其汇编格式如下：
MRS{<cond>} Rd，CPSR|SPSR
其汇编格式如下：
MSR{<cond>} CPSR_f | SPSR_f，#<32-bit immediate>
MSR{<cond>}  CPSR_<field> | SPSR_<field>，Rm

msr cpsr, r0 /*复制r0到cpsr中*/
mrs r0, cpsr /*复制cpsr到r0中*/

例：下面这段代码是在u-boot中将cpu设置为SVC32模式

        mrs     r0,cpsr
        bic     r0,r0,#0x1f
        orr     r0,r0,#0xd3 /*通过这两条指令可以看到将后面5位设置为10011也就是管理模式，将6，7位设置为1也就是禁止IRQ和FIQ*/
        msr     cpsr,r0

可以来看看程序状态寄存器CPSR中各个位分别表示什么含义：

CPSR_f或SPSR_f								CPSR_s或SPSR_s								CPSR_x或SPSR_x								CPSR_c或SPSR_c
31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
N	Z	C	V	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	I	F	T	M4	M3	M2	M1	M0
负 数 或 小 于	零	进 位 或 借 位 或 扩 展	溢 出	保留位																				IRQ 禁 止 1 禁 止 0 允 许	FIQ 禁 止 1 禁 止 0 允 许	状 态 位 0 ARM 1 Thumb	模式位 10000-0x0010-用户 10001-0x0011-快速中断 10010-0x0012-中断 10011-0x0013-管理 10111-0x0017-未定义 11111-0x001F-系统

8，MCR 指令的格式

MCR{条件} 协处理器编码，协处理器操作码1，源寄存器，目的寄存器1，目的寄存器2，协处

理器操作码2。

MCR 指令用于将ARM 处理器寄存器中的数据传送到协处理器寄存器中,若协处理器不能成功完成操作，则产生未定义指令异常。其中协处理器操作码1 和协处理器操作码2 为协处理器将要执行的操作，源寄存器为ARM 处理器的寄存器，目的寄存器1 和目的寄存器2 均为协处理器的寄存器。

指令示例：

MCR P3 ， 3 ， R0 ， C4 ， C5 ， 6 ；该指令将 ARM 处理器寄存器 R0 中的数据传送到协处理器 P3 的寄存器 C4 和 C5 中。

MRC 指令的格式

MRC{条件} 协处理器编码，协处理器操作码1，目的寄存器，源寄存器1，源寄存器2，协处理

器操作码2。

MRC 指令用于将协处理器寄存器中的数据传送到ARM 处理器寄存器中,若协处理器不能成功完成操作，则产生未定义指令异常。其中协处理器操作码1 和协处理器操作码2 为协处理器将要执行的操作，目的寄存器为ARM 处理器的寄存器，源寄存器1 和源寄存器2 均为协处理器的寄存器。

指令示例：

MRC P3 ， 3 ， R0 ， C4 ， C5 ， 6 ；该指令将协处理器 P3 的寄存器中的数据传送到 ARM 处理器寄存器中.

例：这是u-boot中一段代码

        mov     r0, #0
        mcr     p15, 0, r0, c7, c7, 0   /* flush v3/v4 cache */将r0的值也就是0赋值给协处理器p15的c7寄存器
        mcr     p15, 0, r0, c8, c7, 0   /* flush v4 TLB */

有必要来看看arm中CP15协处理器中各个寄存器的意义：

寄存器编号	基本作用	在MMU中的作用	在PU中的作用
0	ID编码（只读）	ID编码和cache类型
1	控 制位（可读写）	各 种控制位
2	存 储保护和控制	地 址转换表基地址	Cachability的控制位
3	存 储保护和控制	域 访问控制位	Bufferablity控制位
4	存 储保护和控制	保 留	保 留
5	存 储保护和控制	内 存失效状态	访 问权限控制位
6	存 储保护和控制	内 存失效地址	保 护区域控制
7	高 速缓存和写缓存	高 速缓存和写缓存控制
8	存 储保护和控制	TLB控制	保 留
9	高 速缓存和写缓存	高 速缓存锁定
10	存 储保护和控制	TLB锁定	保 留
11	保 留
12	保 留
13	进 程标识符	进 程标识符
14	保 留
15	因 不同设计而异	因 不同设计而异	因 不同设计而异

主要来看看里面c7和c8两个寄存器的意思：

CP15的C7寄存器用来控制cache和写缓存，它是一个只写寄存器，读操作将产生不可预知的后果。

CP15的C8寄存器用来控制清除TLB的内容，是只写寄存器，读操作将产生不可预知的后果。

9、  其它伪指令

常见如下：
.extern     main

.text

.global    _start

_start:

“.extern”定义一个外部符号，上面的代码表示本文件中引用的main是一个外部函数。

“.text”表示下面的语句都属于代码段。

“.global”将本文件中的某个程序标号定义为全局的。

说说这个.word伪指令的作用。
.word expression就是在当前位置放一个word型的值，这个值就是expression
举例来说，
_rWTCON:  .word 0x15300000
就是在当前地址，即_rWTCON处放一个值0x15300000
翻译成intel的汇编语句就是：
_rWTCON dw 0x15300000
就是在当前位置放个expression的值。

 

我们知道ARM CPU中有一条被广泛使用的指令LDR，它主要是用来从存储器（确切地说是地址空间）中装载数据到通用寄存器。但不论是ARMASM还是GNU ARM AS，都提供了一条与之同名的伪指令LDR，而在实际中使用该伪指令的情况也较多，那他们有什么不同呢？下面我谈谈我的理解。

    由于我使用GNU工具链，所以以下的内容都以GNU AS的ARM语法为准。

    LDR伪指令的语法形式如下：
       LDR <reg>, = <constant-expression>

    这个常量表达式<constant-expression>中可以包含Label（在ARM汇编中Label会在连接时解释为一个常数），且其中的常数前不加#符号。

    范例demo.s：

.equ    STACK_BASE, 0x0c002000
.equ    STACK_SIZE, 0x00001000

.text
   ldr    sp, = STACK_BASE
    ldr    sl, = STACK_BASE - STACK_SIZE
    ldr    pc, = entry

    这是一个合法的汇编文件，它把堆栈基址设为0x0c002000，栈限设为0x0c001000，然后跳到entry所标识的C程序中执行。

    下面我们假设符号“entry”的地址为0x0c000000。

    我们如果把上面代码写成：

.text
   mov    sp, #0x0c002000
   mov    sl, #0x0c001000
   mov    pc, #0x0c000000

    汇编器会报错：
        demo.s: Assembler messages:
        demo.s:2: Error: invalid constant -- `mov sp,#0x0c002000'
        demo.s:3: Error: invalid constant -- `mov sl,#0x0c001000'

    说起这个错误的原因可就话长了，简而言之是因为RISC有一个重要的概念就是所有指令等长。在ARM指令集中，所有指令长度为4字节（Thumb指令是2字节）。那问题就来了，4字节是不可能同时存的下指令控制码和32位立即数的，那么我要把一个32位立即数（比如一个32位地址值）传送给寄存器该怎么办？

    RISC CPU提供一个通用的方法就是把地址值作为数据而不是代码，从存储器中相应的位置读入到寄存器中，待会我们会看到这样的例子。

    此外ARM还提供另一种方案。由于传送类指令的指令控制码部分（cond, opcode, S, Rd, Rn域）占去了20个字节，那能提供给立即数的就只剩12个位了。

    ARM并未使用这12个位来直接存一个12位立即数，而是使用了类似有效数字一样的概念，只存8个位的有效位和一个4位的位偏移量（偏移单位为2）。这个东西在ARM被叫做术语immed_8，有兴趣的人可以找资料了解一下，到处都有介绍。

    可以看出ARM的这个方法能直接使用的立即数是相当有限的，像0xfffffff0这样的数显然无法支持。别着急，ARM的传送类指令中还有一个MVN指令可以解决该问题。显然0x0000000f是一个有效立即数，MVN会先将其取反再传送，这样有效立即数的范围又扩充了一倍。

    可就算如此仍有大量的32位立即数是无效的，比如上面那个例子中的0x0c002000和0x0c001000。面对这种问题一是使用RISC的通用方法，二是分次载入。

    比如可以这样载入0x0c002000：

.text
    mov    sp, #0x0c000000
    add    sp, sp, # 0x00002000

    或者：

.text
    mov    sp, #0x0c000000
    orr   sp, sp, # 0x00002000

    感觉很狡猾是吧，呵呵。但是要注意它和方法一的一大区别：需要多条指令。那么在一些对指令数目有限制的场合就无法使用它，比如异常向量表处要做长跳转（超过±32MB）的话就只能用方法一；还有就是在同步事务中该操作不是原子的，因此可能需要加锁。

    扯了这么多再回到LDR伪指令上来。显然上面的内容是复杂繁琐的，如果然程序员在写程序的时候还要考虑某个数是不是immed_8一定超级麻烦，因此为了减轻程序员的负担才引入了LDR伪指令。

    你一定很好奇第一段代码demo.s被GNU AS变成了什么，好，让我们在Linux环境下执行下面的命令：
        arm-elf-as -o demo.o demo.s
        arm-elf-objdump -D demo.o

   结果：

demo.o:     file format elf32- littlearm

Disassembly of section .text:

00000000 <.text> :
   0:   e59fd004        ldr     sp, [pc, #4]    ; c <.text+0xc>
   4:   e59fa004        ldr     sl, [pc, #4]    ; 10 <.text+0x10>
   8:   e59ff004        ldr     pc, [pc, #4]    ; 14 <.text+0x14>
   c:   0c002000        stceq   0 , cr2, [r0]
  10:   0c001000        stceq   0 , cr1, [r0]
  14:   00000000         andeq   r0, r0, r0
Disassembly of section .data:

    由于entry还没连上目标地址，objdump反汇编会认为是0，我们先不管它。另外两条LDR伪指令变成了实际的LDR指令！但目标很奇怪，都是[pc, #4]。那好我们看看[pc, #4]是什么。

    我们知道pc中存放的是当前指令的下下条指令的位置，也就是. + 8。那么上面的第一条指令ldr sp, [pc, #4]中的pc就是0x8，pc + 4就是0xc，而[0xc]的内容正是0x0c002000；同理，第二条ldr指令也是如此。显然这里LDR伪指令采用的是RISC通用的方法。

    另外要说的是，如果LDR的是一个immed_8或者immed_8的反码数，则会直接被解释成mov或mvn指令。如ldr pc, = 0x0c000000会被解释成mov pc, 0x0c000000。

    最后一点补充，我发现arm-elf-gcc通常都用累加法。如C语句中的i = 0x100ffc04;会变成类似于以下的语句：
       mov   r0, #0x10000004
       add   r0, r0, #0x000ff000
       add   r0, r0, #0x00000c00
       ...