【微处理器】ARM汇编

一、访问信息

1、MOV指令，目的操作数只能是寄存器，源操作数可以是寄存器或立即数

这个指令后面可以加S，表示是否更新APSR，注意这个指令不区分sign和unsign，所有短位的数例如short，被移动到寄存器后都只会进行0扩展，不会进行符号扩展

2、LDR和STR，用于访问内存，不能直接从一个立即数地址load数据，必须先把这个立即数load到一个寄存器中，再用这个寄存器里的值访问内存。这两个指令有sign和unsign版，还有byte和half版，例如LDRSH，就是sign，half，unsign就不用写LDRUH了，直接写LDRH就行

二、算术运算

1、基本加减乘除

ADD，SUB可以加S，代表更新APSR

两个特殊的ADC，SBC，好像有点复杂，没咋讲就不看了

乘法除法，乘法就是MUL，结果是32比特的，除法有无符号数除法和有符号数除法，分别是UDIV和SDIV

2、三种奇怪的操作数

LDRB R0, [R1, #0x3]

这个的意思是load的byte是R1寄存器中存的地址再加3的地址

LDR R3, [R0, R2, LSL #2]

这个的意思是load的地址是R0+（R2<<2），这里LSL是逻辑左移

LDR R0, [R1], #4

这个是先把R1寄存器里的地址load进来，然后再把R1寄存器里的地址+4

3、关于伪汇编

LDR R0, =0x12345678

这条汇编由于后面的立即数已经有32bit了，然而一条指令最多也就32bit，没地方存了，所以这条汇编实际上是假的，但是我们可以这么写，汇编器/编译器会帮我们把这条伪汇编实现，通过在代码段存一些立即数和label，然后在指令中存offset，用pc+offset的方式访问内存中的地址

LDR R0, [PC, #offset]

...

DCD 0x12345678

4、Literal

接上面伪汇编的实现方法，这种在代码段中插数据的方法叫做Literal，我们也可以自己做

看下面这个例子，DCD是分配一个字的长度，DCB是分配一个字节或多个字节的长度，这里定义MY_NUMBER是0x2000ABCC，HELLO_TEXT是“Hello\n”，并且以0作为终结符，所以这个字符串实际上是hello和\n一共6字节，再加上终结符0，一共7字节。然后前面的ALIGN意思是，下面的代码以4字节对齐，这样可以避免一些存储和运行上的麻烦。注意这些label并不会出现在二进制机器码中，这只是汇编器为了方便程序员阅读从而添加的标记，实际的二进制码只会存这个32位的数，DCD、DCB也不会出现，这些只是为了让汇编器理解这行的内容。

汇编指令部分，前两条是把MY_NUMBER，也就是0x2000ABCC这个值复制到R3，然后把这个地址对应的内容复制到R4，后两条是先把HELLO_TEXT也就是“Hello\n”，的地址复制到R0，然后再从R0这个地址load一个byte到R2，这里一个byte就是首字母H。

LDR R3, =MY_NUMBER ;

LDR R4, [R3]

LDR R0, =HELLO_TEXT

LDRB R2, [R0]

…

ALIGN 4 ;

MY_NUMBER DCD 0x2000ABCC

HELLO_TEXT DCB “Hello\n”, 0

三、控制

1、关于指令长

因为有2字节的指令也有4字节的指令，那么机器怎么取指呢

机器可以通过前两字节，也就是hw1来判断这是一个两字节的指令还是一个4字节的指令，如果是4字节的指令，机器就会把后两字节取出来。但是在模拟的时候会发现机器每次都会取4字节的指令，这是因为机器做了一定的优化。

2、如何实现跳转

通过修改PC的值实现跳转，那么是怎么修改的呢，ARM汇编指令集存的是当前PC到要跳转的地方的偏移，这个offset可正可负。

3、跳转指令

有四个基本的

        1）B <label>，无条件的跳转到label处

        2）B<cc> <label>，条件跳转到label处，cc是条件

        3）BL <label>，干两件事，第一，把当前PC压入LR寄存器，为什么是当前PC，因为PC已经在fetch这条BL指令之后自加了，当前PC就是下一条指令的地址，第二，跳转到label处。

        4）BX Rm，这也是干两件事，先根据Rm寄存器中的LSB，也就是最低位判断mode，是1就说明要用thumb mode，如果是0就说明是要用ARM mode。（为什么我们可以把地址的最低位用来做这个标记，因为ARM的处理器要求arm指令必须字对齐，thumb指令必须半字对齐，所以指令一定是存在偶地址的，最后一位一定是0，我们就可以拿这位做这个标记。）确定mode之后，还原出原来的地址，然后跳转到这个地址。

        5）BLX Rm，这个就是前两条指令的结合，要干三件事了，一个是把PC存到LR里，然后在干BX Rm干的事。

4、关于模式的改变

        1）b label不支持模式转变，处理器默认你b之前和b之后是一个mode

        2）只有bx才支持模式转变，所以bx会要求操作数是一个寄存器，这样方便他判断LSB

        3）很多时候需要修改一个地址的LSB，要么是你存的时候要改，例如BL的时候要根据你当前的mode改LSB，还有的时候是取的时候要改，例如你确认该次跳转要进行模式转变，那么在bx之前，把要跳转的地址load到寄存器的时候，你要进行LSB的修改，例如你知到你要跳转到thumb mode，那就可以把你要跳转的地址和1按位或，1二进制就是前面全0，最后一位是1，按位或之后前面都不变，最后一位一定变成1。这样就可以确保LSB是1了。

5、条件后缀

首先是APSR状态寄存器可以通过cmp指令更新

然后就是这张表

6、对于栈的操作

Thumb指令集支持简单的push和pop，而且可以一条指令push或pop多个值

首先，cortex-M的栈是从高地址向低地址增长的，这样我们就可以开始理解push和pop了

Push多个寄存器的值到栈里的时候，遵循寄存器号越小，栈内地址越低这一原则，例如push{R0，LR}，R0会在低地址，LR会在高地址，所以逻辑上是LR先被push进去，也就是说我写的这条指令中寄存器的排列顺序与逻辑上的push顺序没有关系。

Pop多个值到多个寄存器里的时候，也遵循寄存器号越小，栈内地址越低这一原则，例如栈内是这样，我要pop到R0和R3，那么我写的顺序是不影响的，最终都是658那个地址的数去R0，65C那个地址的数去R3，也就是大地址到大号码寄存器，小地址到小号码寄存器。

四、过程

这里梳理一下函数调用的过程

1、首先要把r0-r3空出来，也就是说如果我当前过程中有用r0-r3存东西，我需要保护他，要么把它压入栈中，要么把他存在Callee saved寄存器里。前者因为要访问栈，也就是内存访问，所以会慢，但是能存多个，后者是寄存器访问，所以会快，但是只能存有限个。R0-r3这四个寄存器是Caller saved寄存器，剩下r4-r11是Callee saved寄存器。

2、然后我需要传参，参数要存在r0-r3上，按顺序存，且需要按字对齐，这会出现问题，第一，如果参数太多放不下，就需要把剩下的放到栈上。第二，这四个寄存器两两成对，也就是说，如果我的参数是一个32位，一个64位的，一个32位的。我把第一个32位的参数存在r0之后，不能把64位的存在r1和r2，因为r0和r1是一对，r2和r3是一对，我想存这个64位的数就必须存在r2和r3上，r1就只能空出来了，也不能存第三个32位的数，因为要遵循按顺序存放的原则，这第三个参数就只能通过栈传递了。注意栈上也要遵循按字对齐，举个例子，栈上要传一个byte（8bit）和一个short（16bit），这俩不能放在一行，是放在两行的，也就是这个意思

                                                e -> [ e |   |   |   ]

                                                f -> [    f    |   |   ]

3、然后现场保护完了，参数传完了，我需要跳转了，要用BL，也就是把等会调用完回来要执行的指令的地址压到LR里，这个时候如果我已经在一个函数里了，也就是说我本来LR就存了上一次调用要回去的地址，那就需要先把这个LR压到栈里，再调用BL，这样保证到时候能回来。这里必要时也可以用BLX，同时也要注意先前提BL和BLX时的细节

4、然后就执行函数里的指令，这时候如果要用到Callee saved寄存器就需要把用到的寄存器里的值压入栈中保存，在跳转回去之前再pop出来，执行完之后如果函数有返回值，那么就需要传递返回值给原过程，传返回值的规则如下

为什么能是Indeterminate

5、执行完函数里的指令之后，需要跳转回来了，通常是BX LR，同样需要注意先前提到的细节。回来之后要从栈上拿信息，栈顶的可能是返回值，拿完之后如果是过程调用过程，还有可能要pop先前压进去的上一个LR，然后如果先前压进去了r0-r3，那也要pop出来，之后就可以正常执行后面的指令了。