ARM处理器寄存器和汇编指令

ARM体系结构支持7种处理器模式，分别是：用户、FIQ 、IRQ、管理、中止（abort）、未定义和系统模式。除了用户模式外，其余都称之为特权模式。除了用户和系统模式外，其余都称之为异常模式

寄存器

ARM的寄存器分为两类, 普通寄存器和状态寄存器

普通寄存器总共16个，分别为R0-R15；状态寄存器共2个，分别为CPSR和SPSR

• R13(sp): 每一种异常模式都有其自己独立的r13，它通常指向异常模式所专用的堆栈，也就是说五种异常模式、非异常模式（用户模式和系统模式），都有各自独立的堆栈，用不同的堆栈指针来索引。这样当ARM进入异常模式的时候，程序就可以把一般通用寄存器压入堆栈，返回时再出栈，保证了各种模式下程序的状态的完整性。
• R14(lr): 每种模式下r14都有自身版组，它有两个特殊功能。
  • 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，通常用下列指令之一：
  • 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。

PS

ARM处理器中通常将寄存器R13作为堆栈指针（SP）。ARM处理器针对不同的模式，共有6个堆栈指针SP, 其中用户模式和系统模式共用一个SP，每种异常模式都有各自专用的R13寄存器（SP）。它们通常指向各模式所对应的专用堆栈，也就是ARM处理器允许用户程序有六个不同的堆栈空间。这些堆栈指针分别为R13、R13_svc、R13_abt、R13_und、R13_irq、R13_fiq.

汇编指令

存储器访问指令

ARM 处理是加载/存储体系结构的典型的RISC处理器，对存储器的访问只能使用加载和存储指令实现。ARM 的加载/存储指令是可以实现字、半字、无符/有符字节操作；批量加载/存储指令可实现一条指令加载/存储多个寄存器的内容，大大提高效率；SWP指令是一条寄存器和存储器内容交换的指令，可用于信号量操作等。

LDR和STR

加载/存储字和无符号字节指令。使用单一数据传送指令(STR 和LDR)来装载和存储单一字节或字的数据从/到内存。

• LDR 指令用于从内存中读取数据放入寄存器中；
• STR 指令用于将寄存器中的数据保存到内存。

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LDR{cond}{T} Rd,<地址>    ;加载指定地址上的数据(字)，放入Rd中
STR{cond}{T} Rd,<地址>    ;存储数据(字)到指定地址的存储单元，要存储的数据在Rd中
LDR{cond}B{T} Rd,<地址>   ;加载字节数据，放入Rd中，即Rd最低字节有效，高24位清零
STR{cond}B{T} Rd,<地址>   ;存储字节数据，要存储的数据在Rd，最低字节有效

其中，T 为可选后缀，若指令有T，那么即使处理器是在特权模式下，存储系统也将访问看成是处理器是在用户模式下。T在用户模式下无效，不能与前索引偏移一起使用T

• 立即数

  1 2 3

  LDR R1,[R0,#0x12] ;将R0+0x12 地址处的数据读出，保存到R1中(R0 的值不变) LDR R1,[R0,#-0x12] ;将R0-0x12 地址处的数据读出，保存到R1中(R0 的值不变) LDR R1,[R0] ;将R0 地址处的数据读出，保存到R1 中(零偏移)

• 寄存器

  1 2	LDR R1,[R0,R2] ;将R0+R2 地址的数据计读出，保存到R1中(R0 的值不变) LDR R1,[R0,-R2] ;将R0-R2 地址处的数据计读出，保存到R1中(R0 的值不变)

• 寄存器及移位常数

  1 2	LDR R1,[R0,R2,LSL #2] ;将R0+R2*4地址处的数据读出，保存到R1中（R0，R2的值不变） LDR R1,[R0,-R2,LSL #2] ;将R0-R2*4地址处的数据计读出，保存到R1中(R0，R2的值不变)

数据处理指令

跳转指令

状态寄存器指令

ARM协处理器指令

示例分析

源代码

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#include <stdio.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int a = 1;
    int b, c;

    b = 3;
    c = a + b;

    printf("Hello c=%d!\n", c);

    return 0;
}

编译:

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arm-linux-gnueabihf-gcc hello.c -o hello --save-temp

汇编代码

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.arch armv7-a
.eabi_attribute 28, 1
.eabi_attribute 20, 1
.eabi_attribute 21, 1
.eabi_attribute 23, 3
.eabi_attribute 24, 1
.eabi_attribute 25, 1
.eabi_attribute 26, 2
.eabi_attribute 30, 6
.eabi_attribute 34, 1
.eabi_attribute 18, 4
.file	"hello.c"
.text
.section	.rodata
.align	2
.LC0:
.ascii	"Hello c=%d!\012\000"
.text
.align	1
.global	main
.syntax unified
.thumb
.thumb_func
.fpu vfpv3-d16
.type	main, %function
main:
@ args = 0, pretend = 0, frame = 24
@ frame_needed = 1, uses_anonymous_args = 0
push	{r7, lr}
sub	sp, sp, #24
add	r7, sp, #0
str	r0, [r7, #4]
str	r1, [r7]
movs	r3, #1
str	r3, [r7, #20]
movs	r3, #3
str	r3, [r7, #16]
ldr	r2, [r7, #20]
ldr	r3, [r7, #16]
add	r3, r3, r2
str	r3, [r7, #12]
ldr	r1, [r7, #12]
movw	r0, #:lower16:.LC0
movt	r0, #:upper16:.LC0
bl	printf
movs	r3, #0
mov	r0, r3
adds	r7, r7, #24
mov	sp, r7
@ sp needed
pop	{r7, pc}
.size	main, .-main
.ident	"GCC: (Linaro GCC 7.3-2018.05) 7.3.1 20180425 [linaro-7.3-2018.05 revision d29120a424ecfbc167ef90065c0eeb7f91977701]"
.section	.note.GNU-stack,"",%progbits

@: 单行注释

参考

• ARM指令集详解
• ARM汇编语言学习笔记（一）—ARM汇编的程序结构