深度剖析ARM內(nèi)核寄存器及基本匯編語言1

對(duì)于嵌入式開發(fā)者來說，了解匯編語言和內(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 
 從開始寫起也沒想到內(nèi)容有這么多，其中有很多干貨的東西，希望自己能夠說明到了，
 其中有很多推薦的博文和網(wǎng)站，在此要特別感謝韋東山老師的視頻，絕對(duì)干貨滿滿

• 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匯編語言
  • 2.1 ARM匯編基礎(chǔ)
  • 2.2 匯編偽指令
  • 2.3 ARM匯編指令集
• 三、代碼反匯編簡析
  • 3.1 不同編譯器的反匯編
  • 3.2 C 和 匯編 比較分析

開頭直接來看幾個(gè)簡單的匯編指令：

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？哪來的？怎么用？

要講 ARM 匯編語言，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：百問網(wǎng)

ARM版本簡單介紹：

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Cortex-M的寄存器的相關(guān)內(nèi)容，這里我們?cè)俸唵握f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POP，PUSH指令來進(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；子程序通過把r14復(fù)制到PC來實(shí)現(xiàn)返回
• 當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，異常模式的r14用來保存異常返回地址，將r14如?？梢蕴幚砬短字袛?/li>

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值的問題需要單獨(dú)來解釋一下

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：

1. 當(dāng)前執(zhí)行地址A的指令，
2. 同時(shí)已經(jīng)在對(duì)下一條指令進(jìn)行譯碼，
3. 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匯編語言

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

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指令集說明

最初，ARM公司發(fā)布了兩類指令集：

1. 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；
2. 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)核來說使用的是 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)一起表明指令類型

回到開始的指令 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，分支跳轉(zhuǎn)等）指令為例，UAL匯編格式為：Operation

表示各類匯編指令，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，書寫時(shí)影響CPSR，否則不影響；Rd

為目的寄存器，用來存儲(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 31-28 |27-25 |24-21 |20 |19-16 | 15-12 |11-0 | |--|--|--|--|--|--|--|--|--| |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，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粔颍?位表示位移次數(shù)，最大才15次（移位0，等于沒有循環(huán)），加上8位數(shù)據(jù)還是不夠32位，這樣只能通過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 11-8 |7-0 | |--|--|--|--|--|--|--|--|--| |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，下面說一說什么是偽指令。