嵌入式杂谈之GNU汇编进阶

向右看齐 2023-05-22 04:44 8阅读 0赞

***接触嵌入式以来，汇编来来回回学了好几遍，感觉还是有几个地方不清楚，所以在这里做一下总结，基本的非常简单的指令就不多余介绍了，主要分享一些个人觉得虽然微不足道，但是对于理解ARM汇编有帮助的一些知识***

***在这里一定要说一下，刚开始学的时候步入了一个大坑，我以为我学的是ARM汇编，后来了解到了，原来是GNU汇编，怪不得我有些问题去网上找的时候迷迷糊糊的，直到最近才纠正过来***

***所以首先就是介绍一下这两种汇编有什么区别***

#### ARM汇编与GNU汇编区别 ####

ARM汇编开发，有两种开发方式，一种是使用ARM汇编，一种是使用ARM GNU汇编。  
两种汇编开发，使用的汇编指令是完全一样的。  
区别是`宏指令，伪指令，伪操作`不一样。  
有上述区别的原因就是 两种开发方式所使用的编译工具不一样。

在指令表示方面：  
ARM汇编指令都是`大写`  
GNU汇编指令都是`小写`

两种常用的ARM的编译开发环境  
DS5、MDK、keil：ARM提供的集成开发软件。使用的是ARM提供的工具链进行程序编译。  
GNU开发环境： 由GNU的汇编器as，交叉编译器gcc，和链接器ld等组成。

因为我们使用的是GNU的交叉编译工具链，所以我们使用GNU汇编。

虽说我们使用GNU汇编，但我开始学错了，记了好多ARM汇编的笔记，在这里也分享出来(主要是不能浪费了)，然后会将ARM汇编与GNU汇编的异同列举出来，大家对照着看完的话会有不一样的收获

#### 完整汇编语句(适用于ARM汇编与GNU汇编) ####

汇编语言局限于硬件平台  
以下面不同平台举例(68k为摩托罗拉的一个架构)

# 向一个寄存器中的一个值加100
    x86: add eax, #100
    68k: ADD #100,d0
    ARM: add r0, r0, 100

ARM汇编指令格式

Operation{cond}{s} Rd, Rn, Operand2
    # 一条汇编指令可分为6个部分，存在2个可选项
    #1. Operation 表示操作指令
    #2. {cond} 可选项，表示条件，例如 eq(相等)
    #3. {s} 可选项，表示状态，例如 n z 也就是上文提到的CPSR寄存器的标志位
    #4. Rd 英文rigister direction 即 目标寄存器
    #5. Rn 即 源寄存器
    #6. 后续附加操作

接下来将上面的完整的汇编指令引申到32位的二进制指令  
所以汇编与二进制指令是一一对应的关系

# 可能有错误，但意思是这么个意思
    [7:0]表示 Operand2
    [11：8] 表示 Rn
    [15:12] 表示 Rd
    [19:16] 表示 s
    [24:20] 表示 cond
    [27:25] 为保留
    [31:28] 表示 Operation

#### 汇编入口(只适用于ARM汇编) ####

# 下面一行表示 名字叫做 (Example) 的 (只读 READONLY) (代码 CODE) (区域 AREA)
    AREA Example, CODE, REANONLY
    # 下面一行ENTRY 表示入口
    ENTYR
    # 下面一行 表示32位编码,与16位的Thumb编码对应
    CODE32
    # 下面一行表示 固有label标号，表示代码在这里开始执行
    START 
    	汇编指令
    # 下面一行 表示代码结束
    END

#### 状态码status ####

这里也需要结合上文`ARM体系结构`提到的`CPSR`寄存器

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">Flag</th> 
   <th align="center">Bit</th> 
   <th align="center">Name</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">N</td> 
   <td align="center">31</td> 
   <td align="center">Negative</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">Z</td> 
   <td align="center">30</td> 
   <td align="center">Zero</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">C</td> 
   <td align="center">29</td> 
   <td align="center">Carry</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">V</td> 
   <td align="center">28</td> 
   <td align="center">Overflow</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

status码也紧跟在操作码以后  
例如 `MOVC` 表示 先进位再操作

#### 寻址方式 ####

##### 单寄存器访问 #####

1.  立即数寻址  
    `ADD R0,R0,#0X3F`  
    立即数即代表一个数字，  
    立即数寻址表示在寄存器与一个数字之间操作
2.  寄存器寻址  
    `ADD R0,R1,R2`  
    只在寄存器之间操作，不涉及内存。  
    内存靠地址寻找，寄存器靠名字寻找
3.  寄存器间接寻址  
    ADD与MOV指令只能操作寄存器，不能操作内存，操作内存使用LDR与STR指令  
    MOV指令 可以在寄存器之间传输数据，也可以将立即数传输到寄存器  
    使用如下指令使数据在内存与寄存器之间传递  
    `LDR R0,[R1]` 表示将R1对应内存的数据放到R0  
    `STR R0,[R1]` 表示将R0里面的数据放到R1对应的内存  
    c语言中指针的解引用也使用这种方式
4.  寄存器移位寻址  
    `ADD R3,R2,R1,LSL#2` 表示R1左移两位加上R2再赋值给R3，LSL表示左移
5.  基址地址寻址  
    `LDR R0,[R1,#4]` 表示R1地址加4的地址处的值放到R0  
    `LDR R0,[R1],#4` 表示R1地址处的值取出再加4放到R0  
    `LDR R0,[R1,R2]` 表示R1加R2对应的内存地址的值放到R0
6.  相对寻址  
    `BL NEXT` 表示跳转到NEXT,并且保存跳转前的地址到LR寄存器  
    相当于计算pc指针的偏移量来进行跳转

##### 多寄存器内存访问 #####

原型：  
STM  
LDM

变种：  
STMIA xx \{xx\} 表示将后面连续寄存器地址的值写入前面所指的内存中去  
LDMIA xx \{xx\} 表示读取前面所指内存的值放到后面连续的寄存器中

这里一定要注意单寄存器与多寄存器的存取方向是正好相反的

数据块模式：  
A 表示 after 传送前  
B 表示 before 传送后  
I 表示 increase 自增4字节  
D 表示 decrease 递减4字节  
IA 表示传送前地址加4  
IB 表示传送后地址加4  
DA 表示传输前地址减4  
DB 表示传输后地址减4  
默认情况下  
STM = STMIA  
LDM = LDRIA

堆栈模式：  
也是多寄存器寻址的方式  
但是多寄存器寻址的位置是任意的  
`ldria sp! {xxx}` 表示在堆栈上连续读取多个数据到寄存器  
是一种压栈和出栈的实现方式

#### 跳转指令 ####

长指令跳转，直接操作pc寄存器  
短指令跳转，使用bl 或者 b 进行跳转

### b与bl与bx ###

`b`相当于c语言中的`goto`语句,不回到原来地方

`bl`相当于将当前地址放入`lr`寄存器，执行完以后最后一句为`mov pc, lr`跳回原来的地址继续执行

`bx`表示带模式跳转，返回原有的模式(例如超级模式)

#### MRS 与 MSR 记忆方法 ####

这是操作`CPSR`寄存器的两个命令，具体使用方法不做过多介绍  
MRS 表示 Move to Register from Status register英文的其中几个简写

MSR 表示 Move to Status register from Register 英文的其中几个简写

#### arm汇编伪指令 ####

虽然汇编指令可以实现循环以及跳转等各种工作，但比较繁琐  
所以使用带参数宏的方法来实现一些伪指令  
伪指令只在汇编器之前作用，汇编之后会翻译成标准的汇编指令集  
伪指令分为arm汇编伪指令与GNU汇编伪指令  
下面均为 ARM汇编 伪指令  
两种伪指令对应关系在后面表格列举出来

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">arm伪指令</th> 
   <th align="center">使用示例</th> 
   <th align="center">描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">AREA</td> 
   <td align="center">AREA test CODE READONLY</td> 
   <td align="center">AREA声明区域段 test是段名称 CODE表示代码段也可以是数据段(DATA) READONLY表示只读，也可以是读写(READWRITE)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CODE16 CODE32</td> 
   <td align="center">CODE32</td> 
   <td align="center">声明以下为32位指令，使用Thumb指令集的时候声明为CODE16</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">ENTRY</td> 
   <td align="center">无</td> 
   <td align="center">用于指定汇编程序的入口点，一个完整的汇编程序(一个工程)至少有一个ENTRY,但存在多个ENTRY的时候由链接器指定入口，但一个源文件最多只能有一个ENTRY(可以没有)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">END</td> 
   <td align="center">无</td> 
   <td align="center">用于通知编译器已经到了源程序的结尾</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">EQU</td> 
   <td align="center">ADDR EQU 0X3FFD000</td> 
   <td align="center">用于为程序中的常量，标号定义一个等效的名字，类似于#define宏定义，其中EQU可用 * 代替</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">EXPORT</td> 
   <td align="center">.global也可以代替</td> 
   <td align="center">用于在程序中声明一个全局标号，该标号可在其他文件中引用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">IMPORT</td> 
   <td align="center">相当于静态引用</td> 
   <td align="center">用于通知编译器要使用的标号在其它源文件中定义，但无论当前源文件是否引用该标号，该标号均会被加入到当前源文件的符号表中</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">EXTERN</td> 
   <td align="center">相当于动态引用</td> 
   <td align="center">但如果当前源文件没有引用该标号，该标号不会被加入到当前源文件的符号表中</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">GET</td> 
   <td align="center">相当于引用文件</td> 
   <td align="center">可以使用INCLUDE 代替 GET</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">RN</td> 
   <td align="center">name RN 寄存器</td> 
   <td align="center">用来给寄存器定义一个别名</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

.global 是GNU伪指令，表示全局的标签,对外导出  
\_start 是GNU伪指令，表示起始地址，类似于我们之前提到的`ENTYR`

#### 指令后缀 ####

`ldrb r0, [r1]` 指令意思不变，操作数变为一个字节(byte)(8位)  
`ldrh r0, [r1]` 指令意思不变，操作数变为一个半字(half word)16位  
`ldrs r0, [r1]` 指令意思不变，操作数变为有符号数(signed)  
`movs r0, #0` 默认结果为零但不影响CPSR的Z位，加上s以后会影响CPSR标志位

但是以下指令一定会影响标志位  
`cmp r0, r1` 等价于`sub r0, r1`, 比较结果是否为零,将CPSR中的 Z 标志位置位  
`cmn r0, r1` 等价于`add r0, r1` 判断两个数是否互补，比较结果是否为零,将CPSR中的 Z 标志位置位

`tst r0, #01` 等价于 `add r0, #01` 用于测试某些位是否为1 ，将CPSR中的 Z 标志位置位  
`teq r0, r1`等价于 `eor r0, r1` 使用异或判断两个寄存器是否相等，将CPSR中的 Z 标志位置位

#### 条件执行后缀 ####

`beq` 如果条件成立再进行跳转，条件后缀成立取决于之前代码的运行结果。

上一句代码执行结果影响CPSR的标志位  
CPSR标志位决定条件后缀是否成立  
具体如下表格

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">指令条件</th> 
   <th align="center">标志位</th> 
   <th align="center">含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">EQ</td> 
   <td align="center">Z置位</td> 
   <td align="center">相等</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">NE</td> 
   <td align="center">Z清零</td> 
   <td align="center">不相等</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CS</td> 
   <td align="center">C置位</td> 
   <td align="center">无符号数大于或等于</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CC</td> 
   <td align="center">C清零</td> 
   <td align="center">无符号数小于</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">MI</td> 
   <td align="center">N置位</td> 
   <td align="center">负数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">PL</td> 
   <td align="center">N清零</td> 
   <td align="center">正数或零</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">VS</td> 
   <td align="center">V置位</td> 
   <td align="center">溢出</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">VC</td> 
   <td align="center">V清零</td> 
   <td align="center">未溢出</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">HI</td> 
   <td align="center">C置位Z清零</td> 
   <td align="center">无符号数大于</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">LS</td> 
   <td align="center">C清零Z置位</td> 
   <td align="center">无符号数小于或等于</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">GE</td> 
   <td align="center">N等于V</td> 
   <td align="center">带符号数大于或等于</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">LI</td> 
   <td align="center">N不等于V</td> 
   <td align="center">带符号数小于</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">GT</td> 
   <td align="center">Z清零且(N等于V)</td> 
   <td align="center">带符号数大于</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">LE</td> 
   <td align="center">Z置位且(N不等于V)</td> 
   <td align="center">带符号数小于或等于</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">AL</td> 
   <td align="center">忽略</td> 
   <td align="center">无条件执行</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

GT表示 greater than  
LT表示 lower than  
E表示 equal  
N表示 not  
条件码会紧跟在指令的后面，例如 `BEQ`表示相等再跳转

#### GNU汇编中 ！ ####

! 表示寄存器自增/自减

因为栈是向下增长的。  
`STMDB SP! {R0-R3}` 表示传输完一个数据以后，SP指针也会自减，相当于 `PUSH {R0-R3}`  
同理 `LDMIA SP! {R0-R3}` 相当于 `POP {R0-R3}`

加上感叹号以后相当于sp的值会进行实时更新，不然只是一个临时变量在自加，不会改变sp指针的值。  
换句话说，加上感叹号代表sp实时指向栈顶，但是不加的话，数据虽然保存到栈里，但指针还是指向原来的位置。

#### pc指针 ####

由于三级流水线的关系  
pc指向正在被取指的指令  
真正被执行的指令为`pc - 8`

#### arm伪指令与GNU伪指令的区别 ####

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">ARM伪指令操作</th> 
   <th align="center">对应的GNU伪指令操作</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">EXPORT</td> 
   <td align="center">.global</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">AREA WORD, CODE, READONLY</td> 
   <td align="center">.text</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">AREA BLOCK, DATE, READWRITE</td> 
   <td align="center">.data</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CODE32</td> 
   <td align="center">.arm</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CODE16</td> 
   <td align="center">.thumb</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">END</td> 
   <td align="center">.end</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">ENTRY</td> 
   <td align="center">ENTRY:</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">IMPORT</td> 
   <td align="center">.extern</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">RN</td> 
   <td align="center">.req</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### swi ####

软中断指令，软件模拟中断用来实现操作系统中的系统调用  
中断向量表有一个软中断入口  
编写操作系统的人才会用到，普通驱动开发基本用不到  
![format_png][]

#### mcr 与 mrc 记忆方法 ####

协处理器操作指令  
mrc 是 move to register from cp15 从cp15读取数据  
mrc 是 move to cp15 from register 向cp15写入数据  
这样记忆起来就特别容易，不至于弄乱顺序

#### 协处理器 ####

coperation processor或者写成 coprocessor

*  soC内部另一个处理核心(不需要CPU参与)，协助CPU完成某些功能
 *  ARM设计上可以支持16个协处理器，但是我们常用的一般soC只实现其中的cp15(只实现了这一个)
 *  协处理器和MMU、cache、TLB(这三个概念可以查看之前的文章-ARM体系架构)等处理有关

#### 伪指令 ####

伪指令编译以后不生成机器码  
伪指令与编译器有关，因为我们使用的是GNU工具链，所以我们使用GNU伪指令

符号:  
@用在行后注释  
以 : 结尾的是标号  
.点号在GNU汇编中表示当前指令地址

# 下面表示一个死循环
    flag:
    	b flag
    # 下面也表示一个死循环
    b .

立即数之前要加上\#

GNU汇编伪指令

# 声明 _start为外部链接属性
    .global _start
    # 指定当前段为代码段
    .section .text
    # 数据类型
    .ascii 定义字符
    .byte 定义字节
    .short 定义两个字节类型数据，相当于c语言中的unsigned short
    .word 定义四个字节类型数据 相当于c语言中的unsigned int
    .quad 定义八个字节类型数据 
    .float 定义四个字节类型的数据 相当于c语言中的float
    # 以 2的n次方 进行字节对齐
    .align n

下面表示定义一个`unsigned int` 类型变量 变量名为 `a` 变量值为`123`

a:
    	.word 123

#### ldr指令 与 ldr伪指令 ####

ldr指令需要考虑合法立即数与非法立即数  
ldr伪指令不需要考虑立即数是否合法

ARM指令只有32位，包括指令标记等，所以32位不能全部用来放数字  
所以就有了合法立即数与非法立即数的区别  
经过任意位数移位后非零部分可以用8位表示的称为合法立即数  
但我们使用的`ldr` 伪指令，他会自动判断是合法还是非法立即数，如果非法，它会自动转成合法立即数

伪指令与指令的区别在于立即数之前是`=`还是`#`  
为 `=` 表示ldr伪指令  
为 `#` 表示ldr指令

所以 99% 的情况下都会使用伪指令

#### 寄存器改名 ####

汇编语言的时候直接写这些寄存器的名字就可以  
但是芯片厂商也可以自己改变寄存器的名字  
方便厂商更加方便的定制  
cotex A 系列引入的机制

#### 四种栈 ####

1.  空栈表示栈顶指针指向最后一个数据的下一个内存位置，相当于栈顶指针指向一个空元素  
    ![format_png 1][]
2.  满栈表示栈顶指针指向栈顶的最后一个数据，相当于指向一个元素  
    ![format_png 2][]
3.  增栈  
    表示栈的增长是向内存地址高的位置进行增长  
    ![format_png 3][]
4.  减栈  
    表示栈的增长是向内存低的位置进行增长  
    ![format_png 4][]

ARM体系结构正常情况下都是满减栈

##### c/c++程序中嵌入汇编 #####

格式：  
\_\_asm \[volatile\] \{instruction\}  
限制条件：

*  不能直接向pc赋值，程序跳转使用b或者bl指令
 *  在使用物理寄存器的时候，不能使用过于复杂的c表达式
 *  尽量使用R0-R7通用寄存器

##### C语言调用汇编(不常用) #####

1.  汇编export
2.  c语言定义 extern function
3.  c语言使用

c语言和汇编语言之间传递参数是通过对应的R0-R3来传递的，即R0第一个参数，以此类推，多于4个参数是借助栈完成，函数返回值通过R0来传递，这个规定叫做ATPCS(ARM Thumb Procedure Call Standard)，具体见ATPCS规范

##### 汇编调用c语言 #####

1.  c语言实现函数
2.  汇编import导入函数名
3.  bl 函数名

**了解更多技术文章，欢迎关注我的个人公众号**

![format_png 5][]

[format_png]: /images/20230521/7ddace135aac429ba85995c8f92c926b.png
[format_png 1]: /images/20230521/09db0d09e09c43f1afa8f9cec4e5526a.png
[format_png 2]: /images/20230521/61ee8c85bc2c4f188e531467c8a9cdbf.png
[format_png 3]: /images/20230521/f4e6b1dc68214345bef0ca6be09e5c96.png
[format_png 4]: /images/20230521/9425ea3e1db5496680563adcf571b9b0.png
[format_png 5]: /images/20230521/cf7355aba0ea4fa9b0292539505a9e9a.png