《深入浅出嵌入式底层软件开发》—1. ARM汇编编程基础

1.1 ARM CPU寄存器

ARM的汇编编程，本质上就是针对CPU寄存器的编程，所以要搞清楚ARM有哪些寄存器；ARM寄存器分为两类：普通寄存器和状态寄存器；普通寄存器一共有16个，分别为R0——R15，状态寄存器有2个，分别为CPSR和SPSR。

R15别名PC（program Counter），中文称程序计数器，它的值是当前正在执行的指令在内存中的位置，而当指令执行结束后，CPU硬件会自动将PC值加1，使PC指向下一条即将执行的指令，因此，当对PC寄存器赋值时，也就相当于完成了一次无条件跳转；

R14别名LR（Linked Register），中文称为链接寄存器，用于存放子程序的返回地址，与子程序调用密切相关，下面用例子说明LR如何被使用

汇编器会将例子中的第4行编译为指令：BL addsub，将11行编译为：MOV pc，lr；其中，BL addsub会完成两件事：

1）将子程序的返回地址（也就是第5行代码在内存中的位置）保存到寄存器LR中；

2）跳转到子程序addsub的第一条指令处，完成了子程序的调用；

而指令MOV pc, lr 则将保存在LR中的返回地址赋给PC，这样就完成了从子程序的返回。

如果我们调用的子程序又调用了孙子程序，该怎么办？如果我们写的是C程序，就完全不用管，因为编译器为我们提供了方案：编译器会在孙子程序的入口处增加入栈操作，将LR的值入栈，然后在孙子程序的返回处增加出栈操作，将LR的值恢复；如果编写汇编程序，一定要在子程序的入口处保存LR寄存器的值。

R 13 别名SP（stack pointer），中文名称栈指针寄存器，它是用来存放堆栈的栈顶地址的，也就是说，每次进行出栈和入栈的时候，都将根据该寄存器的值来决定访问内存的位置。32位ARM指令集中没有专门的入栈和出栈指令，所以并不是一定要用SP来作为栈指针寄存器，除了PC外，任何了普通寄存器都可以作为栈指针寄存器，只不过约定俗成都是用SP罢了。

R0——R12是普通寄存器，可以用于任何地方。

状态寄存器CPSR（Current Program Status Register）中文名称 当前程序状态寄存器，也就是说它是用于保存程序的当前状态的，如下图

1）条件代码标志位，它们是ARM指令条件执行的依据

①  N：运算结果的最高位反映在该标志位：对于有符号二进制补码，结果<0,N =1；结果>=0, N  = 0;

②  Z：指令结果为0时，Z =1,（通常表示结果“相等”），否则 Z = 0；

③  C：当进行加法运算并且最高位产生进位时C=1，否则，C =0；减法产生借位C=0，否则C=1；移位操作C表示从最高位最后移出的值，其他指令C通常不变

④  V：当进行加减法运算，并且发生有符号溢出时 V =1，否则 V =0

2）控制位，它们将控制CPU是否响应中断

I：中断禁止位，当I位为1时，IRQ中断被禁止

F：快中断禁止位，当F为1时，FIQ中断被禁止

T：反映了CPU当前状态，当T为1时，处理器运行在Thumb状态下，当T为0时，运行在ARM状态

3）模式位，包括M4，M3，M2， M1，M0，这些位决定了处理器的模式，总共有7种模式：用户、快中断、中断、管理、中止、未定义、系统

SPSR（Saved Program Status Register）中文名称：保存的程序状态寄存器，该寄存器的结构和CPSR完全一样，在异常发生时，由硬件自动将异常前的CPSR的值存放到SPSR中，以便将来在异常处理结束后，程序能恢复原来CPSR的值

1.2 流水线对PC的值的影响

从图中可以看出CPU内部主要有3部分：指令寄存器、指令译码器、指令执行单元（包括ＡＬＵ和通用寄存器组）。ＣＰＵ在执行一条指令的时候，主要有３个步骤：取指（将指令从内存或指令ｃａｃｈｅ中取入指令寄存器），译码（指令译码器对指令寄存器的指令进行译码操作，从而辨识出该指令时要执行ａｄｄ还是ｓｕｂ，或是其他操作，从而产生各种时序控制信号），执行（指令执行单元根据译码的结果进行运算并保存结果）。CPU串行执行程序会特别慢，因为执行指令的3个步骤占用的CPU硬件完全不同，所以，在对第一条指令进行取指操作的时候，同时可以对第二条指令进行译码操作，对第三条指令进行执行操作，这种并行运行指令的方式称作流水线操作。PC总是指向“正在取指”的指令，而不是指向“正在执行”的指令或正在“译码”的指令。一般来说，人们习惯性约定将“正在执行的指令作为参考点”，称之为当前第一条指令，因此PC总是指向第三条指令。当ARM状态时，每条指令为4字节长，所以PC始终指向该指令地址加8字节的地址，即：PC值=当前程序执行位置+8;