ARM架构简明教程

目录

一、ARM架构

1、RISC指令集

2、ARM架构数据类型的约定

2.1 ARM-v7架构数据类型的约定

2.2 ARM-v8架构数据类型的约定

3、CPU内部寄存器

4、特殊寄存器

4.1 SP寄存器

4.2 LR寄存器

4.3 PC寄存器

二、汇编

1、汇编指令（常用）

2、C函数的反汇编

2.1 让Keil生成反汇编

2.2 找到C函数的反汇编

2.3 分析

---

一、ARM架构

1、RISC指令集

ARM芯片属于精简指令集计算机(RISC：Reduced Instruction Set Computing)，它所用的指令比较简单，有如下特点：

① 对内存只有读、写指令

② 对于数据的运算是在CPU内部实现

③ 使用RISC指令的CPU复杂度小一点，易于设计

对于上图所示的乘法运算a = a * b，在RISC中要使用4条汇编指令：

① 读内存a

② 读内存b

③ 计算a*b

④ 把结果写入内存

2、ARM架构数据类型的约定

2.1 ARM-v7架构数据类型的约定

byte ---> 字节 ---> 8bits ---> 1字节
half word ---> 半字 ---> 16bits ---> 2字节
word ---> 字 ---> 32bits ---> 4字节
double word ---> 双字 ---> 64bits ---> 8字节

2.2 ARM-v8架构数据类型的约定

byte ---> 字节 ---> 8bits ---> 1字节
half word ---> 半字 ---> 16bits ---> 2字节
word ---> 字 ---> 32bits ---> 4字节
double word ---> 双字 ---> 64bits ---> 8字节
quad word ---> 四字 ---> 128bits ---> 16字节

3、CPU内部寄存器

无论是cortex-M3/M4，还是cortex-A7，CPU内部都有R0、R1、……、R15寄存器；它们可以用来“暂存”数据。

4、特殊寄存器

4.1 SP寄存器

R13 ---> 别名：SP ---> the Stack Pointer ： 堆栈寄存器
    作用：SP寄存器中存储的是执行栈空间的地址，即栈指针
    栈空间主要用于压栈保存现场，出栈恢复现场。

4.2 LR寄存器

R14 ---> 别名：LR ---> Link Register
    作用：用来保存返回地址
    栈空间主要用于压栈保存现场，出栈恢复现场。

4.3 PC寄存器

    R15 ---> 别名：PC ---> The Program Counter : 程序计数寄存器
    
    作用：PC寄存器中存储的是当前取指指令的地址，表示当前指令地址，写入新值即可跳转
    每完成取指操作之后，PC会自动加4指向下一条指令。

二、汇编

1、汇编指令（常用）

• 读内存：Load

  • # 示例
    LDR  R0, [R1, #4]  ; 读地址"R1+4", 得到的4字节数据存入R0

• 写内存：Stroe

  • # 示例
    STR  R0, [R1, #4]  ; 把R0的4字节数据写入地址"R1+4"

• 加减

  • ADD R0, R1, R2  ; R0=R1+R2
    ADD R0, R0, #1  ; R0=R0+1
    SUB R0, R1, R2  ; R0=R1-R2
    SUB R0, R0, #1  ; R0=R0-1

• 比较

  • CMP R0, R1  ; 结果保存在PSR(程序状态寄存器)

• 跳转

  • B  main  ; Branch, 直接跳转（直接使用PC寄存器执行指令跳转）
    BL main  ; Branch and Link, 先把返回地址保存在LR寄存器里再跳转（先使用LR寄存器保存返回地址，再使用PC寄存器执行指令跳转）

2、C函数的反汇编

我们用一个简单的C函数添加进FreeRTOS工程中，观察其反汇编：

int add(volatile int a, volatile int b)
{volatile int sum;sum = a + b;return sum;
}

2.1 让Keil生成反汇编

点击魔术棒中的 Linker ，找到文件输出位置

再点击 User ，输入反汇编指令，同时将上个步骤中提取的输出位置替换掉反汇编指令中的xxx

为了方便复制，制作反汇编的指令如下：

fromelf  --text  -a -c  --output=xxx.dis  xxx.axf

2.2 找到C函数的反汇编

找到C函数反汇编的文件

用 Notepad++ 打开并找到我们所定义的 add 函数

使用 add 函数位于我们所创建的FreeRTOS工程中的 diver_oled.c 中，再次找到C函数被调用时的反汇编形式

2.3 分析

int add(volatile int a, volatile int b)
{volatile int sum;sum = a + b;return sum;
}int cnt = 0;
cnt = add(cnt, 1);

在 cnt 调用 add 函数过程中，第一个参数用 R0 来传输，即 R0 = cnt ，第二个参数用 R1 来传输，即 R1 = #1。之后调用 add 函数，用汇编形式表示：BL add。

在 OLED_Test 中找到 add 被调用时的反汇编码，可以更加深刻的理解。

当CPU执行 OLED_Test 中的 add 函数时，cpu会读取地址，得到机器码并执行机器码。

PUSH 就是写内存，就是 Store 指令的变种，会将括号内三个寄存器的值写入栈中，并且调整栈的位置

设SPA = A，调用 PUSH 指令将 lr 、r1、r0 从高到底存入栈中，每个数据为4字节，则占用了12字节，新得到的SP=SP-12，即SP=A-12；调用SUB指令，即S=SP-4；调用 LDRD 指令将SP加4的位置读8个字节分别存入 r0、r1，所以SP+4之后SP对应红线上面一条横线（SP的位置仅此时有效，仅是为了汇编，后面SP的位置还是位于红线处），读取8个字节表示 r0 = [SP,#4] = cnt，r1 = [sp,#8] = 1；调用ADD指令，表示为 r0 = r0 + r1 = cnt + 1，此时 cnt 成功计数；调用 STR 指令，将 r0 保存在 SP+0 处（红线处），此时新的 r0 对应 add 函数中的 sum 变量，汇编形式表示：r0->[SP,#0]->sum；调用 POP 指令，低地址对应低标号的寄存器，将数值清空，将 LR 的地址（对应 OLED_Test 汇编码中执行完 add 函数后面的地址）存到 PC 寄存器，即得到执行完整 add 函数后的结果并保存，这样做主要是是为了再次执行 add 函数时栈中没有数据。