深度剖析ARM内核寄存器及基本汇编语言1

对于嵌入式开发者来说，了解汇编语言和内核寄存器是对内核深入理解的基础
 ..增加 2.2 汇编伪指令 章节					2021/12/12
 ..完善 2.3 ARM汇编指令集						2021/12/12
 ..增加 3.1 不同编译器的反汇编					2021/12/14 
 ..增加 3.2 C和汇编 比较分析				        2021/12/15 
 从开始写起也没想到内容有这么多，其中有很多干货的东西，希望自己能够说明到了，
 其中有很多推荐的博文和网站，在此要特别感谢韦东山老师的视频，绝对干货满满

• 一、ARM内核寄存器
  • 1.1 M3/M4内核寄存器
  • 1.2 A7内核寄存器
  • 1.3 ARM中的PC指针的值
• 二、ARM汇编语言
  • 2.1 ARM汇编基础
  • 2.2 汇编伪指令
  • 2.3 ARM汇编指令集
• 三、代码反汇编简析
  • 3.1 不同编译器的反汇编
  • 3.2 C 和 汇编 比较分析

开头直接来看几个简单的汇编指令：

MOV R0，R1``MOV PC，R14

上面的指令中使用了汇编 MOV指令，但是其中的 R0，R1，R14，PC分别是什么？哪来的？怎么用？

要讲 ARM 汇编语言，必须得先了解ARM的内核寄存器，内核处理所有的指令计算，都需要用到内核寄存器，所以ARM汇编里面指令大都是基于寄存器的操作。

文章前推荐韦东山老师的单片机核心视频，视频可以在韦东山老师官网里面找到：百问网

ARM版本简单介绍：

内核（架构）版本	处理器版本
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内核寄存器

内核寄存器与外设寄存器：

内核寄存器与外设寄存器是完全不同的概念。内核寄存器是指 CPU 内部的寄存器，CPU处理所有指令数据需要用到这些寄存器保存处理数据；外设寄存器是指的 串口，SPI，GPIO口这些设备有关的寄存器。

在我的另一篇博文：FreeRTOS记录（三、FreeRTOS任务调度原理解析_Systick、PendSV、SVC）内核中断管理 章节讲到过Cortex-M的寄存器的相关内容，这里我们再简单说明一下：

1.1 M3/M4内核寄存器

对于M3/M4而言：R13，栈指针(Stack Pointer)

• R13寄存器中存放的是栈顶指针，M3/M4 的栈是向下生长的，入栈的时候地址是往下减少的。
• 裸机程序不会用到PSP，只用到MSP，需要运行RTOS的时候才会用到PSP。
• 堆栈主要是通过POP，PUSH指令来进行操作。在执行 PUSH 和 POP 操作时， SP 的地址寄存器，会自动调整。

R14 ，连接寄存器(Link Register)

• LR 用于在调用子程序时存储返回地址。例如，在使用 BL(分支并连接， Branch and Link)指令时，就自动填充 LR 的值(执行函数调用的下一指令)，进而在函数退出时，正确返回并执行下一指令。如果函数中又调用了其他函数，那么LR将会被覆盖，所以需要先将LR寄存器入栈。
• 保存子程序返回地址。使用BL或BLX时，跳转指令自动把返回地址放入r14中；子程序通过把r14复制到PC来实现返回
• 当异常发生时，异常模式的r14用来保存异常返回地址，将r14如栈可以处理嵌套中断

R15，程序计数器(Program Count)

• 在Cortex-M3中指令是3级流水线，出于对Thumb代码的兼容的考虑，读取pc时，会返回当前指令地址+4的值。
• 读 PC 时返回的值是当前指令的地址+4，关于M3、M4 和 A7的 PC值的问题需要单独来解释一下

其中程序状态寄存器 XPSR：

程序状态寄存器，该寄存器由三个程序状态寄存器组成 应用PSR（APSR） ：包含前一条指令执行后的条件标志，比较结果：大于等于，小于，进位等等； 中断PSR（IPSR ） ：包含当前ISR的异常编号 执行PSR（EPSR） ：包含Thumb状态位

1.2 A7内核寄存器

对于 A7 而言：（上图取自原子教材，此图在官方文档《ARM Cortex-A(armV7)编程手册V4.0》中第3章.ARM Processor Modes and Registers 部分有英文原版，这里用中文版本更容易理解）

A7的 R13、R14、R15 的作用和 M3/4类似。

需要注意的一点就是，对于A7而言 R15，程序计数器(Program Count) ：

• 读 PC 时返回的值是当前指令的地址+8， PC 指向当前指令的下两条指令地址。
• 由于ARM指令总是以字对齐的，故PC寄存器 bit[1:0] 总是00。

A7内核的程序状态寄存器 CPSR：

1.3 ARM中的PC指针的值

因为ARM指令采用三级流水线机制，所以PC指针的值并不是当前执行的指令的地址值：

1. 当前执行地址A的指令，
2. 同时已经在对下一条指令进行译码，
3. 同时已经在读取下下一条指令：PC = A +4 (Thumb/Thumb2指令集)、PC = A + 8 (ARM指令集)

在文档《ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition》中对于 PC 的值有明确的说明：

M3/M4/M0：

PC的值 = 当前地址 + 4；

下面是一个 STM32F103 反汇编程序，找了一段有[pc，#0]的代码，方便判断：

A7：

PC的值 = 当前地址 + 8；

二、ARM汇编语言

ARM芯片属于精简指令集计算机(RISC：Reduced Instruction Set Computing)，具体说明在下面这篇博文5.4小结有过说明：

STM32的内存管理相关（内存架构，内存管理，map文件分析）

2.1 ARM汇编基础

2.1.1 ARM指令集说明

最初，ARM公司发布了两类指令集：

1. ARM指令集，32位的ARM指令，每条指令占据32位，高效，但是太占空间；
2. Thumb指令集，16位的Thumb指令，每条指令占据16位，节省空间；

比如：MOV R0，R1 这条指令，可能是16位的，也可能是32位的

那么在汇编中是如何在 ARM 指令 和 Thumb 指令之间切换呢：

/*ARM指令 与 Thumb 指令 的切换*/

CODE16  ;（表示下面是 Thumb 指令）
...
...

;（调用下面的B函数）
bx  B_addr;(B的地址B_addr的bit0 = 0，表示跳转过去执行 ARM 指令)
;A 函数
...

CODE32  ;（表示下面是 ARM 指令）
...
...
;B 函数
;（回到上面的A函数）
bx  A_addr + 1 ;(A的地址A_addr的bit0 = 1，表示跳转过去执行 Thumb 指令)
...

/**********************/

对于A7、ARM7、ARM9 内核而言它们支持 16位的Thumb 指令集 和 32位的 ARM 指令集

对于M3、M4 内核而言它们支持的是 Thumb2 指令集，它支持16位、32位指令混合编程

对于内核来说使用的是 ARM指令集 还是 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指令集根据上面所述，M3是使用的 Thumb2 指令集，所以会有 T 总是 1.

在A7中 CPSR中的：T(bit5) ：控制指令执行状态，表明本指令是 ARM 指令还是 Thumb 指令，通常和 J(bit24)一起表明指令类型

J(bit24)	T(bit5)	指令集
0	0	ARM
0	1	Thumb
1	1	ThumbEE -- 提供从Thumb-2而来的一些扩充性，在所处的运行环境下，使得指令集能特别适用于运行阶段的编码产生（例如实时编译）。Thumb-2EE是专为一些语言如Limbo、Java、C#、Perl和Python，并能让实时编译器能够输出更小的编译码却不会影响到性能。
1	0	Jazelle

回到开始的指令 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    ;（编译器会根据指令自动识别是32位还是16位的 Thumb2）
MOV R0，R1

2.1.2 ARM汇编格式

编码格式：

不同指令集的编码格式(以 LDR 为例)，摘自《ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition》：以“数据处理”（其他的还有内存访问，分支跳转等）指令为例，UAL汇编格式为：Operation

表示各类汇编指令，比如 ADD、MOV；cond表示conditon，即该指令执行的条件，如 EQ，NE 等；S表示该指令执行后，是否会影响CPSR寄存器的值， 是否影响CPSR 寄存器的值，书写时影响CPSR，否则不影响；Rd

为目的寄存器，用来存储运算的结果；Rn 第一个操作数的寄存器Operand2第二个操作数 ，其可以有3种操作源：1-- 立即数 2-- 寄存器 3-- 寄存器移位

其指令编码格式如下（32位）：|bit 31-28 |27-25 |24-21 |20 |19-16 | 15-12 |11-0 | |--|--|--|--|--|--|--|--|--| |cond | 001 |Operation |S |Rn |Rd | Operand2 |

举个例子：

...
CMP R0，R2      ;比较R0和R2的值
MOV EQ R0，R1  ;加上EQ，如果上面R0的值和R2的值相等的话，才执行此语句
...

对于“数据处理”处理指令中的Operation ，指令集如下：对于其中的条件cond ，如下：

2.1.3 立即数

在一条ARM数据处理指令中，除了要包含处理的数据值外，还要标识ARM命令名称，控制位，寄存器等其他信息。这样在一条ARM数据处理指令中，能用于表示要处理的数据值的位数只能小于32位；

在上面的ARM汇编格式中我们介绍过，ARM在指令格式中设定，只能用指令机器码32位中的低12位来表示要操作的常数。

那么对于指令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规定的数，在官方文档中 value 的值需要满足如下条件：什么是立即数？

满足上图中条件的数我们称之为 立即数，立即数就是符合一定规矩的数。

立即数表示方式：每个立即数由一个8位的常数循环右移偶数位得到。其中循环右移的位数由一个4位二进制的两倍表示。

立即数 = 一个8位的常数 循环位移 偶数位

一个8bit常数循环右移（Y*2 = {0,2,4,6,8, ...,26, 28, 30}）就得到一个立即数了;（为什么是0到30的偶数下面解释）

如果需要深入理解立即数，推荐一篇博文：深刻认识 -->> 立即数

ARM处理器是按32位来处理数据的，ARM处理器处理的数据是32位，为了扩展到32位，因此使用了构造的方法，在12位中用8位表示基本数据值，用4位表示位移值，通过用8位基本数据值往右循环移动4位位移值*2次，来表示要操作的常数。

这里要强调最终的循环次数是4位位移值乘以2得到的，所以得到的最终循环次数肯定是一个偶数，为什么要乘以2呢，实质还是因为范围不够，4位表示位移次数，最大才15次（移位0，等于没有循环），加上8位数据还是不够32位，这样只能通过ALU的内部结构设计将4位位移次数乘以2，这样就能用12位表示32位常数了。

所以 12bit 数据存放格式如下：|bit 11-8 |7-0 | |--|--|--|--|--|--|--|--|--| |移位 1111b （0~15） | 8bit常数 |

但是我们去判断一个数是否立即数，实在是太麻烦了，但是我们想把任意数值赋给 R0 寄存器，怎么办？ 这就需要用到伪指令了，下面说一说什么是伪指令。