對(duì)于嵌入式開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，了解匯編語(yǔ)言和內(nèi)核寄存器是對(duì)內(nèi)核深入理解的基礎(chǔ)..增加 2.2 匯編偽指令 章節(jié) 2021/12/12..完善 2.3 ARM匯編指令集 2021/12/12..增加 3.1 不同編譯器的反匯編 2021/12/14 ..增加 3.2 C和匯編 比較分析 2021/12/15 ..文章結(jié)構(gòu)調(diào)整 2022/8/25

目錄

• 前言
• 一、ARM內(nèi)核寄存器
• • 1.1 M3/M4內(nèi)核寄存器
  • 1.2 A7內(nèi)核寄存器
  • 1.3 ARM中的PC指針的值
• 二、ARM匯編語(yǔ)言
• • 2.1 ARM匯編基礎(chǔ)
  • • 2.1.1 ARM指令集說(shuō)明
    • 2.1.2 ARM匯編格式
    • 2.1.3 立即數(shù)
  • 2.2 匯編偽指令
  • • 2.2.1 GNU匯編偽指令
    • 2.2.2 ARM匯編偽指令
    • 2.2.3 `LDR` 和 `ADR`
  • 2.3 ARM匯編指令集
  • • 數(shù)據(jù)傳輸命令 MOV
    • 狀態(tài)寄存器訪問(wèn) MRS 和 MSR
    • 存儲(chǔ)器訪問(wèn) LDR 和 STR
    • 壓棧和出棧 PUSH 和 POP
    • 跳轉(zhuǎn)指令 B 和 BL
    • 算數(shù)運(yùn)算指令
    • 邏輯運(yùn)算指令
• 三、代碼反匯編簡(jiǎn)析
• • 3.1 不同編譯器的反匯編
  • • 3.1.1 Keil下面生成反匯編文件
    • 3.1.2 gcc下生成反匯編文件
  • 3.2 C 和 匯編 比較分析
  • • 3.2.1 MOV后面 立即數(shù)的疑問(wèn)
    • 3.2.2 反匯編文件解析
• 結(jié)語(yǔ)

前言

本文我們要講解的是 ARM 內(nèi)核寄存器 和 基本匯編語(yǔ)言講解，文章內(nèi)容有點(diǎn)多，以前寫(xiě)文章都是想一篇文章該說(shuō)的都說(shuō)到位，真的有點(diǎn)佩服以前的自己。

開(kāi)頭直接來(lái)看幾個(gè)簡(jiǎn)單的匯編指令：

MOV R0，R1
MOV PC，R14

上面的指令中使用了匯編 MOV指令，但是其中的 R0，R1，R14，PC分別是什么？哪來(lái)的？怎么用？

要講 ARM 匯編語(yǔ)言，必須得先了解ARM的內(nèi)核寄存器，內(nèi)核處理所有的指令計(jì)算，都需要用到內(nèi)核寄存器，所以ARM匯編里面指令大都是基于寄存器的操作。

文章前推薦韋東山老師的單片機(jī)核心視頻，視頻可以在韋東山老師官網(wǎng)里面找到：百問(wèn)網(wǎng)

ARM版本簡(jiǎn)單介紹：

內(nèi)核（架構(gòu)）版本處理器版本

ARMv1	ARM1
ARMv2	ARM2、ARM3
ARMv3	ARM6、
ARMv4	ARM7、StrongARM
ARMv5	ARM9、ARM10E
ARMv6	ARM11
ARMv7	ARM Cortex-A、ARM Cortex-M、ARM Cortex-R
ARMv8	ARM Cortex-A30、ARM Cortex-A50、ARM Cortex-A70

一、ARM內(nèi)核寄存器

內(nèi)核寄存器與外設(shè)寄存器：

• 內(nèi)核寄存器與外設(shè)寄存器是完全不同的概念；
• 內(nèi)核寄存器是指 CPU 內(nèi)部的寄存器，CPU處理所有指令數(shù)據(jù)需要用到這些寄存器保存處理數(shù)據(jù)；
• 外設(shè)寄存器是指的 串口，SPI，GPIO口這些設(shè)備有關(guān)的寄存器。

在我的另一篇博文：FreeRTOS記錄（三、FreeRTOS任務(wù)調(diào)度原理解析_Systick、PendSV、SVC）
內(nèi)核中斷管理 章節(jié)講到過(guò)Cortex-M的寄存器的相關(guān)內(nèi)容，這里我們?cè)俸?jiǎn)單說(shuō)明一下：

1.1 M3/M4內(nèi)核寄存器

對(duì)于M3/M4而言：

R13，棧指針(Stack Pointer)

• R13寄存器中存放的是棧頂指針，M3/M4 的棧是向下生長(zhǎng)的，入棧的時(shí)候地址是往下減少的。
• 裸機(jī)程序不會(huì)用到PSP，只用到MSP，需要運(yùn)行RTOS的時(shí)候才會(huì)用到PSP。
• 堆棧主要是通過(guò)POP，PUSH指令來(lái)進(jìn)行操作。在執(zhí)行 PUSH 和 POP 操作時(shí)， SP 的地址寄存器，會(huì)自動(dòng)調(diào)整。

R14 ，連接寄存器(Link Register)

• LR 用于在調(diào)用子程序時(shí)存儲(chǔ)返回地址。
  例如，在使用 BL(分支并連接， Branch and Link)指令時(shí)，就自動(dòng)填充 LR 的值(執(zhí)行函數(shù)調(diào)用的下一指令)，進(jìn)而在函數(shù)退出時(shí)，正確返回并執(zhí)行下一指令。
  如果函數(shù)中又調(diào)用了其他函數(shù)，那么LR將會(huì)被覆蓋，所以需要先將LR寄存器入棧。

• 保存子程序返回地址。使用BL或BLX時(shí)，跳轉(zhuǎn)指令自動(dòng)把返回地址放入r14中；子程序通過(guò)把r14復(fù)制到PC來(lái)實(shí)現(xiàn)返回

• 當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，異常模式的r14用來(lái)保存異常返回地址，將r14如棧可以處理嵌套中斷

R15，程序計(jì)數(shù)器(Program Count)

• 在Cortex-M3中指令是3級(jí)流水線，出于對(duì)Thumb代碼的兼容的考慮，讀取pc時(shí)，會(huì)返回當(dāng)前指令地址+4的值。
• 讀 PC 時(shí)返回的值是當(dāng)前指令的地址+4，關(guān)于M3、M4 和 A7的 PC值的問(wèn)題需要單獨(dú)來(lái)解釋一下

其中程序狀態(tài)寄存器 XPSR：

程序狀態(tài)寄存器，該寄存器由三個(gè)程序狀態(tài)寄存器組成：

應(yīng)用PSR（APSR） ： 包含前一條指令執(zhí)行后的條件標(biāo)志，比較結(jié)果：大于等于，小于，進(jìn)位等等；
中斷PSR（IPSR ） ： 包含當(dāng)前ISR的異常編號(hào)
執(zhí)行PSR（EPSR） ： 包含Thumb狀態(tài)位

1.2 A7內(nèi)核寄存器

對(duì)于 A7 而言：

（上圖取自原子教材，此圖在官方文檔《ARM Cortex-A(armV7)編程手冊(cè)V4.0》中第3章.ARM Processor Modes and Registers 部分有英文原版，這里用中文版本更容易理解）

A7的 R13、R14、R15 的作用和 M3/4類(lèi)似。

需要注意的一點(diǎn)就是，對(duì)于A7而言R15，程序計(jì)數(shù)器(Program Count)：

• 讀 PC 時(shí)返回的值是當(dāng)前指令的地址+8， PC 指向當(dāng)前指令的下兩條指令地址。
• 由于ARM指令總是以字對(duì)齊的，故PC寄存器 bit[1:0] 總是00。

A7內(nèi)核的程序狀態(tài)寄存器 CPSR：

1.3 ARM中的PC指針的值

因?yàn)锳RM指令采用三級(jí)流水線機(jī)制，所以PC指針的值并不是當(dāng)前執(zhí)行的指令的地址值：

當(dāng)前執(zhí)行地址A的指令，

同時(shí)已經(jīng)在對(duì)下一條指令進(jìn)行譯碼，

同時(shí)已經(jīng)在讀取下下一條指令：PC = A +4 (Thumb/Thumb2指令集)、PC = A + 8 (ARM指令集)

在文檔《ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition》中對(duì)于 PC 的值有明確的說(shuō)明：

M3/M4/M0：

PC的值 = 當(dāng)前地址 + 4；

下面是一個(gè) STM32F103 反匯編程序，找了一段有[pc，#0]的代碼，方便判斷：

A7：

PC的值 = 當(dāng)前地址 + 8；

二、ARM匯編語(yǔ)言

ARM芯片屬于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC：Reduced Instruction Set Computing)，具體說(shuō)明在下面這篇博文5.4小結(jié)有過(guò)說(shuō)明：

STM32的內(nèi)存管理相關(guān)（內(nèi)存架構(gòu)，內(nèi)存管理，map文件分析）

2.1 ARM匯編基礎(chǔ)

2.1.1 ARM指令集說(shuō)明

最初，ARM公司發(fā)布了兩類(lèi)指令集：

ARM指令集，32位的ARM指令，每條指令占據(jù)32位，高效，但是太占空間；

Thumb指令集，16位的Thumb指令，每條指令占據(jù)16位，節(jié)省空間；

比如： MOV R0，R1 這條指令，可能是16位的，也可能是32位的

那么在匯編中是如何在 ARM 指令 和 Thumb 指令之間切換呢：

/*ARM指令 與 Thumb 指令 的切換*/CODE16 ;（表示下面是 Thumb 指令） ... ...;（調(diào)用下面的B函數(shù)） bx B_addr;(B的地址B_addr的bit0 = 0，表示跳轉(zhuǎn)過(guò)去執(zhí)行 ARM 指令) ;A 函數(shù) ...CODE32 ;（表示下面是 ARM 指令） ... ... ;B 函數(shù) ;（回到上面的A函數(shù)） bx A_addr + 1 ;(A的地址A_addr的bit0 = 1，表示跳轉(zhuǎn)過(guò)去執(zhí)行 Thumb 指令) .../**********************/

對(duì)于A7、ARM7、ARM9 內(nèi)核而言它們支持 16位的Thumb 指令集 和 32位的 ARM 指令集

對(duì)于M3、M4 內(nèi)核而言它們支持的是 Thumb2 指令集，它支持16位、32位指令混合編程

對(duì)于內(nèi)核來(lái)說(shuō)使用的是 ARM指令集 還是 Thumb指令集，就是在 XPSR 和 CPSR

在M3/M4中， XPSR 寄存器的 T（bit24）：1表示 Thumb指令集

根據(jù)上面所述，M3是使用的 Thumb2 指令集，所以會(huì)有 T 總是 1.

在A7中 CPSR中的：T(bit5) ：控制指令執(zhí)行狀態(tài)，表明本指令是 ARM 指令還是 Thumb 指令，通常和 J(bit24)一起表明指令類(lèi)型：

J(bit24)T(bit5)指令集

0	0	ARM
0	1	Thumb
1	1	ThumbEE – 提供從Thumb-2而來(lái)的一些擴(kuò)充性，在所處的運(yùn)行環(huán)境下，使得指令集能特別適用于運(yùn)行階段的編碼產(chǎn)生（例如實(shí)時(shí)編譯）。Thumb-2EE是專(zhuān)為一些語(yǔ)言如Limbo、Java、C#、Perl和Python，并能讓實(shí)時(shí)編譯器能夠輸出更小的編譯碼卻不會(huì)影響到性能。
1	0	Jazelle

回到開(kāi)始的指令 MOV R0，R1

code 16 ;（表示下面指令是16位的 Thumb 指令） MOV R0，R1 code 32 ;（表示下面指令是32位的 ARM 指令） MOV R0，R1 Thumb ;（編譯器會(huì)根據(jù)指令自動(dòng)識(shí)別是32位還是16位的 Thumb2） MOV R0，R1

2.1.2 ARM匯編格式

編碼格式：

不同指令集的編碼格式(以 LDR 為例)，摘自《ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition》：

以“數(shù)據(jù)處理”（其他的還有內(nèi)存訪問(wèn)，分支跳轉(zhuǎn)等）指令為例，UAL匯編格式為：

Operation

表示各類(lèi)匯編指令，比如 ADD、MOV；

cond

表示conditon，即該指令執(zhí)行的條件，如 EQ，NE 等；

S

表示該指令執(zhí)行后，是否會(huì)影響CPSR寄存器的值， 是否影響CPSR 寄存器的值，書(shū)寫(xiě)時(shí)影響CPSR，否則不影響；

Rd

為目的寄存器，用來(lái)存儲(chǔ)運(yùn)算的結(jié)果；

Rn

第一個(gè)操作數(shù)的寄存器；

Operand2

第二個(gè)操作數(shù) ，其可以有3種操作源：

1-- 立即數(shù)
2-- 寄存器
3-- 寄存器移位

其指令編碼格式如下（32位）：

bit 31-2827-2524-212019-1615-1211-0

cond	001	Operation	S	Rn	Rd	Operand2

舉個(gè)例子：

... CMP R0，R2 ;比較R0和R2的值 MOV EQ R0，R1 ;加上EQ，如果上面R0的值和R2的值相等的話，才執(zhí)行此語(yǔ)句 ...

對(duì)于“數(shù)據(jù)處理”處理指令中的Operation ，指令集如下：

對(duì)于其中的條件 cond ，如下：

2.1.3 立即數(shù)

在一條ARM數(shù)據(jù)處理指令中，除了要包含處理的數(shù)據(jù)值外，還要標(biāo)識(shí)ARM命令名稱，控制位，寄存器等其他信息。這樣在一條ARM數(shù)據(jù)處理指令中，能用于表示要處理的數(shù)據(jù)值的位數(shù)只能小于32位；

在上面的ARM匯編格式中我們介紹過(guò)，ARM在指令格式中設(shè)定，只能用指令機(jī)器碼32位中的低12位來(lái)表示要操作的常數(shù)。

那么對(duì)于指令MOV R0, #value（把value的值存入R0寄存器）而言，value 的值也不能是任意的值，其值只能是符合某些規(guī)定的數(shù)，在官方文檔中 value 的值需要滿足如下條件：

什么是立即數(shù)？

滿足上圖中條件的數(shù)我們稱之為 立即數(shù)，立即數(shù)就是符合一定規(guī)矩的數(shù)。

立即數(shù)表示方式：每個(gè)立即數(shù)由一個(gè)8位的常數(shù)循環(huán)右移偶數(shù)位得到。其中循環(huán)右移的位數(shù)由一個(gè)4位二進(jìn)制的兩倍表示。

立即數(shù) = 一個(gè)8位的常數(shù) 循環(huán)位移 偶數(shù)位

一個(gè)8bit常數(shù)循環(huán)右移（Y*2 = {0,2,4,6,8, …,26, 28, 30}）就得到一個(gè)立即數(shù)了;
（為什么是0到30的偶數(shù)下面解釋）

如果需要深入理解立即數(shù)，推薦一篇博文：深刻認(rèn)識(shí) -->> 立即數(shù)

ARM處理器是按32位來(lái)處理數(shù)據(jù)的，ARM處理器處理的數(shù)據(jù)是32位，為了擴(kuò)展到32位，因此使用了構(gòu)造的方法，在12位中用8位表示基本數(shù)據(jù)值，用4位表示位移值，通過(guò)用8位基本數(shù)據(jù)值往右循環(huán)移動(dòng)4位位移值*2次，來(lái)表示要操作的常數(shù)。

這里要強(qiáng)調(diào)最終的循環(huán)次數(shù)是4位位移值乘以2得到的，所以得到的最終循環(huán)次數(shù)肯定是一個(gè)偶數(shù)，為什么要乘以2呢，實(shí)質(zhì)還是因?yàn)榉秶粔?#xff0c;4位表示位移次數(shù)，最大才15次（移位0，等于沒(méi)有循環(huán)），加上8位數(shù)據(jù)還是不夠32位，這樣只能通過(guò)ALU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將4位位移次數(shù)乘以2，這樣就能用12位表示32位常數(shù)了。

所以 12bit 數(shù)據(jù)存放格式如下：

bit 11-87-0

移位 1111b （0~15）	8bit常數(shù)

但是我們?nèi)ヅ袛嘁粋€(gè)數(shù)是否立即數(shù)，實(shí)在是太麻煩了，但是我們想把任意數(shù)值賦給 R0 寄存器，怎么辦？ 這就需要用到偽指令了，下面說(shuō)一說(shuō)什么是偽指令。

2.2 匯編偽指令

匯編語(yǔ)言分成兩塊：標(biāo)準(zhǔn)指令集和非標(biāo)準(zhǔn)指令集。 偽指令屬于非標(biāo)準(zhǔn)指令集。

什么是偽指令？

類(lèi)似于宏的東西，把復(fù)雜的有好幾天指令進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的完成的小功能級(jí)進(jìn)行新的標(biāo)簽設(shè)定，這就是偽指令。

類(lèi)似于學(xué)c語(yǔ)言的時(shí)候的預(yù)處理，在預(yù)處理的時(shí)候把它定義于一堆的宏轉(zhuǎn)化為真正的c語(yǔ)言的代碼。同樣，偽指令是在定義好之后的匯編，匯編的時(shí)候會(huì)把它翻譯成標(biāo)準(zhǔn)指令，也許一條簡(jiǎn)單的偽指令可以翻譯成很多條標(biāo)準(zhǔn)的匯編指令集，所以這就是偽指令最重要的作用。

我們前面說(shuō)的 CODE16 CODE32也是偽指令，用來(lái)指定其后的代碼格式。

偽指令的作用？

基本的指令可以做各類(lèi)操作了，但操作起來(lái)太麻煩了。偽指令定義了一些類(lèi)似于帶參數(shù)的宏，能夠更好的實(shí)現(xiàn)匯編程序邏輯。（比如我現(xiàn)在要設(shè)置一個(gè)值給寄存器R0，但下次我修改了寄存器R0之后又需要讀出來(lái)剛才的值，那我們就要先臨時(shí)保存值到SPSR,CPSR，然后不斷切換。）

偽指令只是在匯編器之前作用，匯編以后翻譯為標(biāo)準(zhǔn)的匯編令集。

偽指令的類(lèi)別偽指令可分為ARM匯編偽指令和GNU匯編偽指令

ARM匯編偽指令是ARM公司的，GNU匯編偽指令是GNU平臺(tái)的。他們有自己的匯編器，不同的匯編器的解釋語(yǔ)法可以設(shè)成不同。

2.2.1 GNU匯編偽指令

這里列出部分偽指令說(shuō)明，具體的偽指令可以結(jié)合 ARM匯編偽指令分析：

bit 11-87-0

.word	分配一個(gè)4字節(jié)空間
.byte	定義單字節(jié)數(shù)據(jù)
.short	定義雙字節(jié)數(shù)據(jù)
.long	定義一個(gè)4字節(jié)數(shù)據(jù)
.equ	賦值語(yǔ)句： .equ a, 0x11
.align	數(shù)據(jù)字節(jié)對(duì)齊：.align 4 (4字節(jié)對(duì)齊)
.global	定義全局符號(hào)：.global Default_Handler
.end	源文件結(jié)束

2.2.2 ARM匯編偽指令

在我的另一篇博文：STM32的啟動(dòng)過(guò)程（startup_xxxx.s文件解析）

里面有過(guò)一些對(duì)偽指令意思的的說(shuō)明，下面也列出部分說(shuō)明：

AREA：

用于定義一個(gè)代碼段或數(shù)據(jù)段。屬性字段表示該代碼段（或數(shù)據(jù)段）的相關(guān)屬性，多個(gè)屬性用逗號(hào)分隔。

其中，段名若以數(shù)字開(kāi)頭，則該段名需用?“?|?”?括起來(lái)：

ALIGN：

ALIGN?偽指令可通過(guò)添加填充字節(jié)的方式，使當(dāng)前位置滿足一定的對(duì)其方式。其中，表達(dá)式的值用于指定對(duì)齊方式，可能的取值為2的冪，如?1?、2?、4?、8?、16?等。

若未指定表達(dá)式，則將當(dāng)前位置對(duì)齊到下一個(gè)字的位置。

CODE16和CODE32：

指定其后面的指令為 ARM 指令還是?Thumb?指令，前面介紹過(guò)。

ENTRY：

用于指定匯編程序的入口點(diǎn)。在一個(gè)完整的匯編程序中至少要有一個(gè)?ENTRY?（也可以有多個(gè)，當(dāng)有多個(gè)?ENTRY?時(shí)，程序的真正入口點(diǎn)由鏈接器指定），但在一個(gè)源文件里最多只能有一個(gè)?ENTRY。

在startup_stm32f103xg.s里面就沒(méi)有。

END：

用于通知編譯器已經(jīng)到了源程序的結(jié)尾。

IMPORT 和 EXPORT：

IMPORT 定義表示這是一個(gè)外部變量的標(biāo)號(hào)，不是在本程序定義的

EXPORT 表示本程序里面用到的變量提供給其他模塊調(diào)用的

2.2.3 LDR 和 ADR

LDR偽指令:

簡(jiǎn)單介紹了偽指令基礎(chǔ)，回到上一小結(jié)留下的問(wèn)題，想要把任意值復(fù)制給 R0，怎么處理，我們使用偽指令：
LDR R0, =value

編譯器會(huì)把“偽指令”替換成真實(shí)的指令：

LDR R0, =0x12

0x12是立即數(shù)，那么替換為：MOV R0, #0x12

LDR R0, =0x12345678

0x12345678不是立即數(shù)，那么替換為：
LDR R0, [PC, #offset] // 2. 使用Load Register讀內(nèi)存指令讀出值，offset是鏈接程序時(shí)確定的
……
Label DCD 0x12345678 // 1. 編譯器在程序某個(gè)地方保存有這個(gè)值

ADR偽指令:

ADR的意思是：address，用來(lái)讀某個(gè)標(biāo)號(hào)的地址:

ADR{cond} Rd, labe1

ADR R0, Loop ... LoopADD R0, R0, #1;(它是“偽指令”，會(huì)被轉(zhuǎn)換成某條真實(shí)的指令，比如：) ADD R0, PC, #val ; loop的地址等于PC值加上或者減去val的值，val的值在鏈接時(shí)確定, ... LoopADD R0, R0, #1

2.3 ARM匯編指令集

在《ARM Cortex-M3與Cortex-M4權(quán)威指南》一文中第5章節(jié)有詳細(xì)的指令集說(shuō)明：

匯編指令可以分為幾大類(lèi)：數(shù)據(jù)處理、內(nèi)存訪問(wèn)、跳轉(zhuǎn)、飽和運(yùn)算、其他指令。

數(shù)據(jù)傳輸命令 MOV

MOV指令，用于將數(shù)據(jù)從一個(gè)寄存器拷貝到另外一個(gè)寄存器，或者將一個(gè)立即數(shù)傳遞到寄存器。

MOV指令的格式為：MOV{條件}{S} 目的寄存器，源操作數(shù)

MOV R0，R1 ;@將寄存器R1中的數(shù)據(jù)傳遞給R0，即R0=R1 MOV R0, #0X12 ;@將立即數(shù)0X12傳遞給R0寄存器，即R0=0X12

狀態(tài)寄存器訪問(wèn) MRS 和 MSR

MRS指令，用于將特殊寄存器(如CPSR和SPSR)中的數(shù)據(jù)傳遞給通用寄存器。

MSR指令，和MRS相反，用來(lái)將普通寄存器的數(shù)據(jù)傳遞給特殊寄存器。

;M3/M4 MRS R0, APSR ;單獨(dú)讀APSR MRS R0, PSR ; 讀組合程序狀態(tài);A7 MRS R0, CPSR ; 讀組合程序狀態(tài)... MSR CPSR,R0 ;傳送R0的內(nèi)容到CPSR

存儲(chǔ)器訪問(wèn) LDR 和 STR

LDR:

LDR 指令用于從存儲(chǔ)器中將一個(gè)32位的字?jǐn)?shù)據(jù)傳送到目的寄存器中。該指令通常用于從存儲(chǔ)器中讀取32位的字?jǐn)?shù)據(jù)到通用寄存器，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

指令的格式為：LDR{條件} 目的寄存器，<存儲(chǔ)器地址>

當(dāng)程序計(jì)數(shù)器PC作為目的寄存器時(shí)，指令從存儲(chǔ)器中讀取的字?jǐn)?shù)據(jù)被當(dāng)作目的地址，從而可以實(shí)現(xiàn)程序流程的跳轉(zhuǎn)。

LDRB: 字節(jié)操作

LDRH: 半字操作

LDR Rd, [Rn , #offset] ;從存儲(chǔ)器Rn+offset的位置讀取數(shù)據(jù)存放到Rd中。 ... LDR R0, =0X02077004 ;偽指令，將寄存器地址 0X02077004 加載到 R0 中，即 R0=0X02077004 LDR R1, [R0] ;讀取地址 0X02077004 中的數(shù)據(jù)到 R1 寄存器中 ... LDR R0,[R1，R2] ;將存儲(chǔ)器地址為R1+R2的字?jǐn)?shù)據(jù)讀入寄存器R0。 LDR R0,[R1，＃8] ;將存儲(chǔ)器地址為R1+8的字?jǐn)?shù)據(jù)讀入寄存器R0。 ... LDR R0,[R1，R2，LSL＃2]! ;將存儲(chǔ)器地址R1＋R2×4的字?jǐn)?shù)據(jù)讀入寄存器R0，并將新地址R1＋R2×4寫(xiě)入R1。 LDR R0,[R1]，R2，LSL＃2 ;將存儲(chǔ)器地址R1的字?jǐn)?shù)據(jù)讀入寄存器R0，并將新地址R1＋R2×4寫(xiě)入R1。 ... LDRH R0,[R1] ；將存儲(chǔ)器地址為R1的半字?jǐn)?shù)據(jù)讀入寄存器R0，并將R0的高16位清零。

STR:

STR 指令用于從源寄存器中將一個(gè)32位的字?jǐn)?shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器中。該指令在程序設(shè)計(jì)中比較常用，且尋址方式靈活多樣，使用方式可參考指令LDR。

指令的格式為：STR{條件} 源寄存器，<存儲(chǔ)器地址>

STRB: 字節(jié)操作，從源寄存器中將一個(gè)8位的字節(jié)數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器中。該字節(jié)數(shù)據(jù)為源寄存器中的低8位。

STRH: 半字操作，從源寄存器中將一個(gè)16位的半字?jǐn)?shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器中。該半字?jǐn)?shù)據(jù)為源寄存器中的低16位。

STR Rd, [Rn, #offset] ;將Rd中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到存儲(chǔ)器中的Rn+offset位置。 ... LDR R0, =0X02077004 ;將寄存器地址 0X02077004 加載到 R0 中，即 R0=0X02077004 LDR R1, =0X2000060c ;R1 保存要寫(xiě)入到寄存器的值，即 R1=0X2000060c STR R1, [R0] ;將 R1 中的值寫(xiě)入到 R0 中所保存的地址中 ... STR R0，[R1],#8 ;將R0中的字?jǐn)?shù)據(jù)寫(xiě)入以R1為地址的存儲(chǔ)器中，并將新地址R1＋8寫(xiě)入R1。 STR R0，[R1,#8] ;將R0中的字?jǐn)?shù)據(jù)寫(xiě)入以R1＋8為地址的存儲(chǔ)器中。 ...

壓棧和出棧 PUSH 和 POP

PUSH :

壓棧，將寄存器中的內(nèi)容，保存到堆棧指針指向的內(nèi)存上面，將寄存器列表存入棧中。

PUSH < reg list >

POP :

出棧，從棧中恢復(fù)寄存器列表

POP < reg list >

push {R0, R1} ;保存R0,R1 push {R0~R3,R12} ;保存 R0~R3 和 R12，入棧 pop {R0~R3} ;恢復(fù)R0 到 R3 ，出棧

以M3內(nèi)核來(lái)舉個(gè)例子：

假設(shè)當(dāng)前 MSP 值為 0x2000 2480；
寄存器 R0 的值為 0x3434 3434
寄存器 R1 的值為 0x0000 1212
寄存器 R2 的值為 0x0000 0000

執(zhí)行push {R0, R1，R2}之后，

內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)為：

0x2000 2474的值為: 0x3434 3434 （R0的值）
0x2000 2478的值為: 0x0000 1212 （R1的值）
0x2000 247C的值為: 0x0000 0000 （R2的值）
MSP 的值變成 0x2000 2474

高位寄存器保存到高地址，先入棧，如果是POP，數(shù)據(jù)先出到低位寄存器

跳轉(zhuǎn)指令 B 和 BL

B :

ARM 處理器將立即跳轉(zhuǎn)到指定的目標(biāo)地址，不再返回原地址。

B指令的格式為：B{條件} 目標(biāo)地址

注意存儲(chǔ)在跳轉(zhuǎn)指令中的實(shí)際值是相對(duì)當(dāng)前PC值的一個(gè)偏移量，而不是一個(gè)絕對(duì)地址，它的值由匯編器來(lái)計(jì)算。

//設(shè)置棧頂指針后跳轉(zhuǎn)到C語(yǔ)言 _start: ldr sp,=0X80200000 ;設(shè)置棧指針 b main ;跳到 main 函數(shù)

BL :

BL 跳轉(zhuǎn)指令，在跳轉(zhuǎn)之前會(huì)在寄存器LR(R14)中保存當(dāng)前PC寄存器值，所以可以通過(guò)將LR 寄存器中的值重新加載到PC中來(lái)繼續(xù)從跳轉(zhuǎn)之前的代碼處運(yùn)行，是子程序調(diào)用的常用的方法。

BL loop ;跳轉(zhuǎn)到標(biāo)號(hào)loop處執(zhí)行時(shí)，同時(shí)將當(dāng)前的PC值保存到R14中

BLX:

該跳轉(zhuǎn)指令是當(dāng)子程序使用Thumb指令集，而調(diào)用者使用ARM指令集時(shí)使用。

BLX指令從ARM指令集跳轉(zhuǎn)到指令中所指定的目標(biāo)地址，并將處理器的工作狀態(tài)有ARM狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)，該指令同時(shí)將PC的當(dāng)前內(nèi)容保存到寄存器R14中。

BX:

BX指令跳轉(zhuǎn)到指令中所指定的目標(biāo)地址，目標(biāo)地址處的指令既可以是ARM指令，也可以是Thumb指令。

算數(shù)運(yùn)算指令

算數(shù)運(yùn)算指令和下面的邏輯運(yùn)算指令表格摘自《【正點(diǎn)原子】I.MX6U嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)指南》:

邏輯運(yùn)算指令

三、代碼反匯編簡(jiǎn)析

• 匯編
  匯編文件轉(zhuǎn)換為目標(biāo)文件(里面是機(jī)器碼，機(jī)器碼是給CPU使用的，燒錄保存在Flash空間的就是機(jī)器碼)。
• 反匯編
  可執(zhí)行文件(目標(biāo)文件，里面是機(jī)器碼)，轉(zhuǎn)換為匯編文件。

3.1 不同編譯器的反匯編

3.1.1 Keil下面生成反匯編文件

fromelf –text -a -c –output=(改成你想生成的反匯編名字一般是工程名字).dis (需要的axf文件，根據(jù)你工程生成axf的路徑填寫(xiě)).axf

設(shè)置好以后編譯之后就會(huì)生成反匯編.dis文件：

打開(kāi)如下所示：

對(duì)于上圖中的紅色圈出來(lái)的語(yǔ)句，我們可以根據(jù)本文 第 二 章節(jié)的第2小節(jié) ARM匯編格式中的介紹來(lái)分析一下：

簡(jiǎn)單分析如下（立即數(shù)就不分析了= =！）：

3.1.2 gcc下生成反匯編文件

在X86架構(gòu)下的電腦上生成ARM架構(gòu)的匯編代碼有兩種方式：

• 使用交叉編譯工具鏈 指定-S選項(xiàng)可以生成匯編中間文件。
  ex：gcc -S test.c
• 使用 objdump 反匯編 arm二進(jìn)制文件。

上述兩種方法的區(qū)別為：

（1）反匯編可以生成ARM指令操作碼，-S生成的匯編沒(méi)有指令碼
（2）反匯編的代碼是經(jīng)過(guò)編譯器優(yōu)化過(guò)的。
（3）反匯編代碼量很大。

對(duì)于ARM Cortex-M，使用的是 arm-none-eabi-objdump，常用指令如下：

• arm-none-eabi-objdump -d -S(可省) a1.o 查看a1.o反匯編可執(zhí)行段代碼
• arm-none-eabi-objdump -D -S(可省) a1.o 查看a1.o反匯編所有段代碼
• arm-none-eabi-objdump -D -b binary -m arm ab.bin 查看ab.bin反匯編所有代碼段

對(duì)于使用 arm-none-eabi-gcc 工具鏈（以STM32CUbeMX）的內(nèi)核來(lái)說(shuō)，使用如下方式生成反匯編文件：

$(OBJDUMP) -D -b binary -m arm (需要的elf文件，一般是工程名字).elf > (改成你想生成的反匯編名字，一般是工程名字).dis # OBJDUMP = arm-none-eabi-objdump

-D表示對(duì)全部文件進(jìn)行反匯編，-b表示二進(jìn)制，-m表示指令集架構(gòu)

Makefile修改如下：

... TARGET = D6TPir ####################################### # paths ####################################### # Build path BUILD_DIR = build ... PREFIX = arm-none-eabi- ... OBJDUMP = $(PREFIX)objdumpdis:$(OBJDUMP) -D -b binary -m arm $(BUILD_DIR)/$(TARGET).elf > $(BUILD_DIR)/$(TARGET).dis # $(OBJDUMP) -D -b binary -m arm $(BUILD_DIR)/$(TARGET).bin > $(BUILD_DIR)/$(TARGET).dis

執(zhí)行 make dis 即可生成 .dis 文件：

打開(kāi)文件查看，發(fā)現(xiàn)怎么這個(gè)匯編語(yǔ)言有點(diǎn)不一樣：

經(jīng)過(guò)研究了一段時(shí)間，加上了-M force-thumb后稍微有點(diǎn)樣子了：

在網(wǎng)上有各種參考，但是我都測(cè)試過(guò)了，并沒(méi)有找到合適的生成完全和標(biāo)準(zhǔn)匯編一致的那種，-M后面的參數(shù)也不能亂加，需要根據(jù)自己的交叉編譯器，因?yàn)檫@里用的是 arm-none-eabi-gcc，所以可以通過(guò)arm-none-eabi-objdump --help 查看能用的命令和參數(shù)：

gcc工具鏈下的匯編還是不太熟悉，所以我們下面反匯編文件與 C語(yǔ)言的對(duì)比，使用Keil下的反匯編進(jìn)行說(shuō)明。

3.2 C 和 匯編 比較分析

前面介紹了那么多，最終用一個(gè)簡(jiǎn)單的程序?qū)Ρ纫幌翪語(yǔ)言反匯編后的匯編語(yǔ)言，加深一下印象，當(dāng)作個(gè)實(shí)戰(zhàn)總結(jié)。

基于STM32L051（Cortex-M0）內(nèi)核，目的是為了比較C和匯編，用了個(gè)最簡(jiǎn)單的程序來(lái)分析，沒(méi)有用到任務(wù)外設(shè)，程序如下：

//前面省略... void delay(u32 count) {while(count--); }u32 add(u16 val1,u16 val2) {u32 add_val;add_val = val1 + val2;return add_val; }int main(void){u16 a,b;u32 c;a = 12345;b = 45678;c = add(a,b);while(1){c--;delay(200000);}}

反匯編的代碼對(duì)應(yīng)部分如下（因?yàn)榛谟布脚_(tái)，其他異常中斷，堆，棧，包括其他一些也有匯編代碼，這里省略）：

;省略前面delay0x080001ae: bf00 .. NOP 0x080001b0: 1e01 .. SUBS r1,r0,#00x080001b2: f1a00001 .... SUB r0,r0,#10x080001b6: d1fb .. BNE 0x80001b0 ; delay + 20x080001b8: 4770 pG BX lradd0x080001ba: 4602 .F MOV r2,r00x080001bc: 1850 P. ADDS r0,r2,r10x080001be: 4770 pG BX lrmain0x080001c0: f2430439 C.9. MOV r4,#0x30390x080001c4: f24b256e K.n% MOV r5,#0xb26e0x080001c8: 4629 )F MOV r1,r50x080001ca: 4620 F MOV r0,r40x080001cc: f7fffff5 .... BL add ; 0x80001ba0x080001d0: 4606 .F MOV r6,r00x080001d2: e003 .. B 0x80001dc ; main + 280x080001d4: 1e76 v. SUBS r6,r6,#10x080001d6: 4804 .H LDR r0,[pc,#16] ; [0x80001e8] = 0x30d400x080001d8: f7ffffe9 .... BL delay ; 0x80001ae0x080001dc: e7fa .. B 0x80001d4 ; main + 20$d0x080001de: 0000 .. DCW 00x080001e0: e000ed0c .... DCD 37581570680x080001e4: 05fa0000 .... DCD 1002700800x080001e8: 00030d40 @... DCD 200000 ;省略后面

3.2.1 MOV后面 立即數(shù)的疑問(wèn)

在對(duì)比分析這段代碼前，在 main 函數(shù)中的第一句：

0x080001c0: f2430439 C.9. MOV r4,#0x3039

就有一個(gè)大大的疑問(wèn)， MOV r4,#0x3039中 0x3039 并不是立即數(shù)（按照我們第二章 立即數(shù)的說(shuō)明） ，包括接下來(lái)的 0xb26e 也不是立即數(shù)，怎么可以直接用 mov，按理來(lái)說(shuō)需要用 LDR偽指令的？？

至于這個(gè)問(wèn)題，網(wǎng)上簡(jiǎn)單查找了一下，找到一篇有關(guān)說(shuō)明的文章：ARM 匯編的mov操作立即數(shù)的疑問(wèn) 其中有說(shuō)到，在 keil 公司方網(wǎng)站里關(guān)于arm匯編的說(shuō)明里有這么一段：

Syntax
MOV{cond} Rd, #imm16
where: imm16 is any value in the range 0-65535.

所以是不是在 Keil 中的arm匯編 立即數(shù)可以使16位的？

為了驗(yàn)證一下，我稍微修改了一下程序，就是把a(bǔ)的值賦值超過(guò)16位（當(dāng)然定義函數(shù)之類(lèi)的也要跟著改，測(cè)試代碼中a為u16的無(wú)符號(hào)整形），測(cè)試了一下。

a賦值為 65535，結(jié)果如下（65535不是立即數(shù)，也可以直接mov）：

0x080001c0: f64f75ff O..u MOV r5,#0xffff

a賦值為 65536，結(jié)果如下（65536是立即數(shù)，可以直接mov）：

0x080001c0: f44f3580 O..5 MOV r5,#0x10000

a賦值為一個(gè)大于16位的，不是立即數(shù)的數(shù)，比如：0x1FFFF ：

0x080001c0: 4d08 .M LDR r5,[pc,#32] ; [0x80001e4] = 0x1ffff

果然，最后當(dāng) a 大于16位，不是立即數(shù)時(shí)候，會(huì)使用偽指令 LDR，所以我們可以得出結(jié)論：

在 Keil 中的arm匯編中，16位內(nèi)（包括16位）的數(shù)都直接使用 MOV 賦值，大于16位，如果是立即數(shù)，直接使用MOV，不是立即數(shù)用LDR （立即數(shù)的判斷方式還是前面講的那樣）

3.2.2 反匯編文件解析

對(duì)于上面的示例程序的匯編碼，簡(jiǎn)單解析如下：

添加一個(gè)有意思的測(cè)試對(duì)于delay函數(shù)中的語(yǔ)句，上圖是while(count--);改成while(--count);后匯編代碼如下：

對(duì)于上面的測(cè)試程序，匯編中并沒(méi)有使用到 PUSH 和 POP 指令，因?yàn)槌绦蛱?jiǎn)單了，不需要使用到棧，為了能夠熟悉下單片機(jī)中必須且經(jīng)常需要用到的 棧，我們稍微修改一下add函數(shù)，在add函數(shù)中調(diào)用了delay函數(shù)：

u32 add(u16 val1,u16 val2) {u32 add_val;add_val = val1 + val2;delay(10);return add_val; }

對(duì)于的add函數(shù)匯編代碼如下：

add0x080001ba: b530 0. PUSH {r4,r5,lr} ;把r4 r5 lr的值入棧0x080001bc: 4603 .F MOV r3,r00x080001be: 460c .F MOV r4,r10x080001c0: 191d .. ADDS r5,r3,r40x080001c2: 200a . MOVS r0,#0xa0x080001c4: f7fffff3 .... BL delay ; 0x80001ae0x080001c8: 4628 (F MOV r0,r50x080001ca: bd30 0. POP {r4,r5,pc} ;把r4 r5 lr的值出棧，

（匯編中可以看到指令后面后面加了個(gè)S ，MOVS 、ADDS，這就是我們前面說(shuō)到的，帶了S 會(huì)影響 xPSR 寄存器中的值）

可以看到，因?yàn)榇嬖诤瘮?shù)的多次調(diào)用，main函數(shù)中調(diào)用add函數(shù)，add函數(shù)中調(diào)用delay函數(shù)，所以在add函數(shù)運(yùn)行之前，通過(guò) push 把 r4,r5,lr 寄存器的值先存入棧中，等待程序執(zhí)行完（函數(shù)調(diào)用結(jié)束）再吧 r4,r5,lr 寄存器的值恢復(fù)。

上面的程序雖然簡(jiǎn)單，但是通過(guò)我們C程序 與 匯編程序的對(duì)比分析，能夠讓我們更加深入的理解匯編語(yǔ)言。

結(jié)語(yǔ)

文章內(nèi)容真的是有點(diǎn)多，即便我再次回顧一下，覺(jué)得都應(yīng)該分一個(gè)專(zhuān)欄慢慢講解的。

如果后面有機(jī)會(huì)，我會(huì)把本文的每一小節(jié)細(xì)分的單獨(dú)來(lái)說(shuō)明。 … by 矜辰所致

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的ARM 内核寄存器 和 基本汇编语言讲解的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。