ARM匯編概述：Cortex-M3/M4實(shí)戰(zhàn)指南

Cortex-M3/M4是嵌入式開發(fā)中最主流的ARM內(nèi)核，廣泛應(yīng)用于STM32等微控制器。其匯編語言遵循RISC架構(gòu)"精簡高效"的設(shè)計(jì)理念。本文從核心寄存器到常用指令，再到實(shí)戰(zhàn)示例，層層遞進(jìn)講解ARM匯編的核心邏輯。

一、核心寄存器（匯編的"操作對(duì)象"）

Cortex-M3/M4的寄存器是匯編指令的直接操作對(duì)象，無需記憶所有寄存器，僅需掌握以下高頻核心寄存器，即可覆蓋絕大多數(shù)嵌入式開發(fā)場(chǎng)景。

1. 通用寄存器

寄存器	別名 / 功能	核心用途
R0-R7	低寄存器	暫存運(yùn)算數(shù)據(jù)、傳遞函數(shù)前4個(gè)參數(shù)、存儲(chǔ)內(nèi)存地址（配合LDR/STR訪問RAM/ROM）
R13	SP（棧指針）	指向棧頂，管理函數(shù)調(diào)用時(shí)的上下文保存與恢復(fù)。Cortex-M默認(rèn)采用滿遞減棧模型
R14	LR（鏈接寄存器）	保存函數(shù)調(diào)用后的返回地址（`BL`指令自動(dòng)存入）。
R15	PC（程序計(jì)數(shù)器）	指向當(dāng)前執(zhí)行的指令地址，修改PC可實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)。Cortex-M始終處于Thumb狀態(tài)，故PC的BIT0必須為1。

2. 程序狀態(tài)寄存器

程序狀態(tài)寄存器（xPSR）由APSR（應(yīng)用狀態(tài)寄存器）、IPSR（中斷程序狀態(tài)寄存器）和EPSR（執(zhí)行程序狀態(tài)寄存器）三個(gè)部分組合而成，其中APSR需重點(diǎn)關(guān)注，其4個(gè)標(biāo)志位是"條件指令"的核心判斷依據(jù)：

N（負(fù)標(biāo)志）：運(yùn)算結(jié)果為負(fù)（最高位為1）時(shí)N=1，否則為0；用于判斷有符號(hào)數(shù)的正負(fù)。
Z（零標(biāo)志）：運(yùn)算結(jié)果為0時(shí)Z=1，否則為0；常用于循環(huán)結(jié)束判斷（如計(jì)數(shù)到0）、相等比較（如CMP R0, R1后用BEQ跳轉(zhuǎn)）。
C（進(jìn)位/借位標(biāo)志）：加法有進(jìn)位或減法無借位時(shí)C=1，否則為0；用于多字節(jié)運(yùn)算（如64位數(shù)據(jù)加法）。
V（溢出標(biāo)志）：有符號(hào)數(shù)運(yùn)算超出32位范圍時(shí)V=1，否則為0；用于檢測(cè)有符號(hào)數(shù)運(yùn)算錯(cuò)誤（如0x7FFFFFFF + 1會(huì)溢出）。

二、ARM常用匯編指令

Cortex-M3/M4架構(gòu)遵循Load-Store原則，即數(shù)據(jù)處理指令只操作寄存器，與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換必須通過LDR（從內(nèi)存加載數(shù)據(jù)到寄存器）和STR（將寄存器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存）指令完成。

1. 數(shù)據(jù)處理指令（CPU內(nèi)部寄存器運(yùn)算）

僅操作通用寄存器，不直接訪問內(nèi)存，是實(shí)現(xiàn)"加減、比較、位操作"等邏輯的核心。

（1）MOV：數(shù)據(jù)傳送指令

核心作用：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在寄存器間的傳遞，或立即數(shù)到寄存器的加載。

語法：MOV{S}{cond} Rd, Op2

{S}：可選，指令執(zhí)行后更新APSR標(biāo)志（如MOVS R0, #0會(huì)設(shè)置Z=1）。
{cond}：可選，條件執(zhí)行后綴（如MOVNE R0, #0xFF表示"若Z=0（前序運(yùn)算結(jié)果非0），則執(zhí)行"）。
Op2：可以是立即數(shù)或另一個(gè)寄存器，并可包含移位操作（如R3, LSL #2）。

示例：

MOV R0, #0x20000000  ; R0 = 0x20000000（加載RAM基地址）
MOVS R1, #0          ; R1 = 0，同時(shí)更新APSR的Z標(biāo)志（Z=1）
MOV R2, R3, LSL #2   ; R2 = R3 << 2（將R3的值左移2位后存入R2）

（2）ADD/SUB：加減指令

核心作用：實(shí)現(xiàn)寄存器或立即數(shù)的加減運(yùn)算。

語法：

ADD（加法）：ADD{S}{cond} Rd, Rn, Op2（Rd = Rn + Op2）
SUB（減法）：SUB{S}{cond} Rd, Rn, Op2（Rd = Rn - Op2）

示例：

; ADD示例
ADD R0, R1, #5       ; R0 = R1 + 5
ADDS R2, R3, R4      ; R2 = R3 + R4，同時(shí)更新APSR

; SUB示例  
SUB R0, R1, #10      ; R0 = R1 - 10
SUBS R5, R5, #1      ; R5自減1（循環(huán)計(jì)數(shù)器），并更新標(biāo)志位

（3）CMP：比較指令

核心作用：隱性計(jì)算"Rn - Op2"，不保存結(jié)果，僅更新APSR標(biāo)志，為后續(xù)"條件跳轉(zhuǎn)"做準(zhǔn)備。

語法：CMP{cond} Rn, Op2

示例：

CMP R0, #100         ; 比較R0與100
BEQ LoopEnd          ; 若Z=1（R0=100），跳轉(zhuǎn)到LoopEnd
BNE LoopContinue     ; 若Z=0（R0≠100），跳轉(zhuǎn)到LoopContinue

2. 內(nèi)存訪問指令

（1）LDR：讀內(nèi)存指令

核心作用：將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)讀取到寄存器。

語法：LDR{type}{cond} Rd, [Rn {, #offset}]

{type}：可選，指定數(shù)據(jù)類型（B=無符號(hào)字節(jié)、H=無符號(hào)半字、默認(rèn)=字）。
尋址方式：偏移尋址（[Rn, #4]）：地址 = Rn + 4，Rn不變。前索引（[Rn, #4]!）：地址 = Rn + 4，然后更新Rn = Rn + 4。后索引（[Rn], #4）：地址 = Rn，然后更新Rn = Rn + 4。

示例：

LDR R0, [R1]         ; 讀R1指向的4字節(jié)數(shù)據(jù)到R0
LDRB R2, [R1, #1]    ; 讀R1+1地址的1字節(jié)到R2
LDRH R3, [R1], #2    ; 讀R1指向的2字節(jié)到R3，然后R1 = R1 + 2

（2）STR：寫內(nèi)存指令

核心作用：將寄存器中的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存。

語法：與LDR一致（Rd為源寄存器）。

示例：

STR R0, [R1]         ; 將R0的4字節(jié)數(shù)據(jù)寫入R1指向的地址
STRH R2, [R1, #4]!   ; 將R2的2字節(jié)數(shù)據(jù)寫入R1+4，然后R1 = R1 + 4

（3）PUSH/POP：棧操作指令

核心作用：批量保存/恢復(fù)寄存器到棧，是函數(shù)調(diào)用時(shí)保護(hù)上下文的標(biāo)準(zhǔn)且推薦的方式。它們是STMFD SP!和LDMFD SP!的別名，專用于棧操作，更簡潔直觀。

語法：

入棧（保存寄存器）：PUSH {reglist}
出棧（恢復(fù)寄存器）：POP {reglist}

示例：

; 函數(shù)入口：保存R4-R6（需保護(hù)的寄存器）和LR（返回地址）
PUSH {R4-R6, LR}     ; 入棧，SP相應(yīng)遞減

; 函數(shù)體 ... （可安全使用R4-R6）

; 函數(shù)出口：恢復(fù)寄存器并返回
POP {R4-R6, PC}      ; 出棧，恢復(fù)R4-R6，并將LR的值直接彈出到PC（實(shí)現(xiàn)返回）

3. 跳轉(zhuǎn)與函數(shù)調(diào)用指令（程序流控制）

（1）B：無條件/條件跳轉(zhuǎn)

核心作用：直接修改PC值，跳轉(zhuǎn)到指定標(biāo)號(hào)，適用于"循環(huán)、分支判斷"。

語法：B{cond} Label

示例：

B MainLoop           ; 無條件跳轉(zhuǎn)到MainLoop
CMP R0, #0
BNE ErrorHandler     ; 若R0≠0，跳轉(zhuǎn)到ErrorHandler

（2）BL：函數(shù)調(diào)用指令

核心作用：跳轉(zhuǎn)前自動(dòng)將返回地址（下一條指令地址）存入LR，用于函數(shù)調(diào)用。

語法：BL{cond} Label

示例：

BL Delay             ; 調(diào)用Delay函數(shù)，LR = 返回地址
MOV R1, #1           ; Delay返回后，從此處繼續(xù)執(zhí)行

Delay:               
    MOV R0, #100000
DelayLoop:
    SUBS R0, R0, #1
    BNE DelayLoop
    BX LR            ; 使用 BX LR 返回調(diào)用處

（3）偽指令

LDR =val：加載任意32位數(shù)值到寄存器。

LDR R0, =0x12345678  ; 加載非立即數(shù)
LDR R1, =0x10        ; 編譯器可能優(yōu)化為 MOV R1, #0x10

ADR：獲取標(biāo)號(hào)的相對(duì)地址（短距離）。

ADR R0, DataBuf      ; 將DataBuf的地址加載到R0
DataBuf DCD 0x00, 0x01, 0x02

三、完整示例程序

以下示例覆蓋"棧操作、函數(shù)調(diào)用、內(nèi)存讀寫、數(shù)據(jù)校驗(yàn)"四大核心場(chǎng)景，并使用推薦的PUSH/POP指令。

; 程序說明：Cortex-M3/M4匯編實(shí)戰(zhàn)示例
; 核心功能：1.棧保存寄存器 2.調(diào)用延時(shí)函數(shù) 3.讀寫RAM數(shù)據(jù) 4.校驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性 5.循環(huán)執(zhí)行
    AREA    ARM_Demo, CODE, READONLY
    ENTRY
    THUMB                              ; 明確指定使用Thumb指令集
    ALIGN 4

; --------------------------
; 主函數(shù)：程序核心邏輯入口
; --------------------------
Main
    ; 1.棧操作：在函數(shù)入口保存可能被使用的寄存器及返回地址，遵守調(diào)用規(guī)范
    PUSH   {R0-R2, LR}                ; 使用PUSH保存寄存器

    ; 2.內(nèi)存讀寫：向RAM地址（0x20000000）寫入數(shù)據(jù)，再讀取校驗(yàn)
    MOV     R0, #0x20000000           ; R0 = RAM基地址
    LDR     R1, =0x12345678           ; R1 = 待寫入數(shù)據(jù)
    STR     R1, [R0]                  ; 寫操作：將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存
    LDR     R2, [R0]                  ; 讀操作：從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)

    ; 3.數(shù)據(jù)校驗(yàn)：比較"寫入值（R1）"與"讀取值（R2）"
    CMP     R1, R2
    BEQ     Data_OK                   ; 若數(shù)據(jù)一致，跳轉(zhuǎn)
    MOV     R3, #0x00                 ; 數(shù)據(jù)不一致：R3 = 0x00（錯(cuò)誤標(biāo)志）
    B       Call_Delay
Data_OK
    MOV     R3, #0xFF                 ; 數(shù)據(jù)一致：R3 = 0xFF（成功標(biāo)志）

    ; 4.調(diào)用延時(shí)函數(shù)
Call_Delay
    BL      Delay_Func                ; 調(diào)用延時(shí)函數(shù)

    ; 5.恢復(fù)寄存器并返回：從棧中恢復(fù)R0-R2，并通過將LR彈出至PC來返回到調(diào)用者，實(shí)現(xiàn)循環(huán)
    POP    {R0-R2, PC}                ; 使用POP恢復(fù)寄存器并返回

; --------------------------
; 延時(shí)函數(shù)：簡單遞減延時(shí)
; --------------------------
Delay_Func
    PUSH   {R0, LR}                   ; 延時(shí)函數(shù)也保護(hù)它用到的寄存器和LR
    LDR    R0, =500000
Delay_Loop
    SUBS   R0, R0, #1
    BNE    Delay_Loop
    POP    {R0, PC}                   ; 恢復(fù)R0，并通過彈出LR到PC來返回

    ALIGN 4
    END

執(zhí)行效果：

入棧后：SP相應(yīng)遞減。
寫內(nèi)存后：查看0x20000000地址，值為0x12345678。
校驗(yàn)后：APSR的Z標(biāo)志為1，R3被設(shè)為0xFF。
全速運(yùn)行：程序在Main和Delay_Func間循環(huán)，R3始終保持0xFF。

四、總結(jié)

Cortex-M3/M4匯編的核心邏輯可提煉為三句話：

操作對(duì)象是寄存器：核心寄存器僅需掌握R0-R7（數(shù)據(jù)）、SP/LR/PC（控制）和APSR（條件標(biāo)志）。
內(nèi)存訪問靠Load/Store：遵循RISC原則，僅LDR/STR指令與內(nèi)存交互。函數(shù)上下文保護(hù)使用推薦的PUSH/POP指令。
程序流靠PC控制：跳轉(zhuǎn)用B，函數(shù)調(diào)用用BL（依賴LR），返回推薦用BX LR或POP {PC}。

掌握以上內(nèi)容，即可為理解和應(yīng)對(duì)嵌入式開發(fā)中啟動(dòng)代碼/硬件初始化、中斷服務(wù)例程(ISR)編寫、性能關(guān)鍵代碼段優(yōu)化等場(chǎng)景打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

posted @ 2025-11-03 23:19 比特向陽閱讀(117) 評(píng)論(0) 收藏舉報(bào)

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二進(jìn)制的向陽

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一、核心寄存器（匯編的"操作對(duì)象"）

1. 通用寄存器

2. 程序狀態(tài)寄存器

二、ARM常用匯編指令

1. 數(shù)據(jù)處理指令（CPU內(nèi)部寄存器運(yùn)算）

（1）MOV：數(shù)據(jù)傳送指令

（2）ADD/SUB：加減指令

（3）CMP：比較指令

2. 內(nèi)存訪問指令

（1）LDR：讀內(nèi)存指令

（2）STR：寫內(nèi)存指令

（3）PUSH/POP：棧操作指令

3. 跳轉(zhuǎn)與函數(shù)調(diào)用指令（程序流控制）

（1）B：無條件/條件跳轉(zhuǎn)

（2）BL：函數(shù)調(diào)用指令

（3）偽指令

三、完整示例程序

四、總結(jié)

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1. 通用寄存器

2. 程序狀態(tài)寄存器

二、ARM常用匯編指令

1. 數(shù)據(jù)處理指令（CPU內(nèi)部寄存器運(yùn)算）

（1）MOV：數(shù)據(jù)傳送指令

（2）ADD/SUB：加減指令

（3）CMP：比較指令

2. 內(nèi)存訪問指令

（1）LDR：讀內(nèi)存指令

（2）STR：寫內(nèi)存指令

（3）PUSH/POP：棧操作指令

3. 跳轉(zhuǎn)與函數(shù)調(diào)用指令（程序流控制）

（1）B：無條件/條件跳轉(zhuǎn)

（2）BL：函數(shù)調(diào)用指令

（3）偽指令

三、完整示例程序

四、總結(jié)

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二、ARM常用匯編指令

三、完整示例程序

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