ARM Cortex-A 裸机开发实战指南
一、汇编指令系统精解
1.数据移动指令全解析
; ============ MOV指令的完整形态 ============ mov r0, #0xA0 ; 基础形式：立即数→寄存器 mov r1, r0 ; 寄存器→寄存器拷贝 ; 移位变种（第二操作数移位） mov r2, r0, lsl #2 ; 逻辑左移：r2 = r0 << 2 mov r2, r0, lsr #3 ; 逻辑右移：r2 = r0 >> 3 mov r2, r0, asr #2 ; 算术右移：保持符号位 mov r2, r0, ror #4 ; 循环右移 mov r2, r0, rrx ; 带扩展右移（C标志参与） ; 寄存器控制移位量 mov r3, #8 mov r2, r0, lsl r3 ; 移位量由寄存器指定 ; ============ 非法立即数加载技巧 ============ ; 错误：mov r0, #0x1FB0 ; ❌ 0x1FB0不是合法立即数 ; 正确： ldr r0, =0x1FB0 ; ✅ 伪指令，汇编器自动处理 ; ============ 内存加载指令 ============ ldr r0, [r1] ; 从内存加载：r0 = *r1 ldr r0, [r1, #4] ; r0 = *(r1 + 4) ldr r0, [r1, #4]! ; r0 = *(r1 + 4); r1 = r1 + 4 ldr r0, [r1], #4 ; r0 = *r1; r1 = r1 + 4
2.算术运算的条件标志影响
; ============ 条件标志位(NZCV)产生机制 ============ ; 情况1：正数溢出为负数 mov r0, #0x7FFFFFFF ; 最大正有符号数 mov r1, #1 adds r2, r0, r1 ; r2 = 0x80000000 ; N=1 (结果最高位为1，表示为负数) ; Z=0 (结果非零) ; C=0 (无进位，从无符号角度看没超过32位) ; V=1 (有符号溢出：正+正=负) ; 情况2：无符号溢出 mov r0, #0xFFFFFFFF ; 最大无符号数 adds r2, r0, r1 ; r2 = 0x00000000 ; N=0 (结果最高位为0) ; Z=1 (结果为0) ; C=1 (有进位，无符号数溢出) ; V=0 (无有符号溢出) ; 情况3：有借位减法 mov r0, #100 mov r1, #200 subs r2, r0, r1 ; r2 = -100 (0xFFFFFF9C) ; N=1 (结果为负) ; Z=0 (非零) ; C=0 (有借位) ; V=0 (无溢出) ; ============ 条件执行实战 ============ mov r0, #200 mov r1, #100 ; 最大值算法（无分支） cmp r0, r1 ; 比较，设置NZCV movgt r2, r0 ; 仅当r0>r1时执行 movle r2, r1 ; 仅当r0≤r1时执行 ; 绝对值计算 mov r0, #-50 cmp r0, #0 ; 判断正负 rsblt r0, r0, #0 ; 若为负，r0 = 0 - r0
3.位操作指令详解
; ============ BIC（位清除）指令 ============ ; 语法：BIC Rd, Rn, Operand2 ; 功能：Rd = Rn & ~Operand2 mov r0, #0xFFFFFFFF ; r0 = 全1 bic r1, r0, #0xFF ; 清除低8位：r1 = 0xFFFFFF00 bic r1, r0, #(1 << 31) ; 清除最高位：r1 = 0x7FFFFFFF ; 清除多个位 bic r1, r0, #0x0F0F0F0F ; 清除每字节的低4位 ; ============ ORR（位设置）指令 ============ ; 语法：ORR Rd, Rn, Operand2 ; 功能：Rd = Rn | Operand2 mov r0, #0 ; r0 = 0 orr r1, r0, #0xFF ; 设置低8位：r1 = 0x000000FF orr r1, r1, #(1 << 31) ; 设置最高位：r1 = 0x800000FF ; ============ EOR（位取反）指令 ============ ; 语法：EOR Rd, Rn, Operand2 ; 功能：Rd = Rn ^ Operand2 mov r0, #0xAAAAAAAA ; r0 = 1010 1010... eor r1, r0, #0xFFFFFFFF ; 按位取反：r1 = 0x55555555 ; ============ MVN（移动取反）指令 ============ ; 语法：MVN Rd, Operand2 ; 功能：Rd = ~Operand2 mvn r0, #0 ; r0 = 0xFFFFFFFF mvn r1, #0xFF ; r1 = 0xFFFFFF00
二、程序流程控制实战
1.循环结构实现
; ============ while循环（先判断后执行）============ ; C代码：while(i <= 1000) { sum += i; i++; } mov r0, #1 ; i = 1 mov r1, #0 ; sum = 0 while_loop: cmp r0, #1000 ; 判断 i <= 1000? bgt while_end ; 如果 i > 1000，跳出 add r1, r1, r0 ; sum += i add r0, r0, #1 ; i++ b while_loop ; 继续循环 while_end: ; 循环结束，r1 = 1到1000的和 ; ============ do-while循环（先执行后判断）============ ; C代码：do { sum += i; i++; } while(i <= 1000); mov r0, #1 ; i = 1 mov r1, #0 ; sum = 0 do_loop: add r1, r1, r0 ; sum += i add r0, r0, #1 ; i++ cmp r0, #1000 ; 判断 i <= 1000? ble do_loop ; 如果满足条件，继续循环 ; ============ for循环（标准格式）============ ; C代码：for(i=0; i<10; i++) { sum += i; } mov r0, #0 ; i = 0 mov r1, #0 ; sum = 0 mov r2, #10 ; 循环次数 for_loop: cmp r0, r2 ; 判断 i < 10? bge for_end add r1, r1, r0 ; sum += i add r0, r0, #1 ; i++ b for_loop for_end:2.分支与跳转指令
; ============ 三种跳转指令对比 ============ ; 1. B指令 - 简单跳转 b label1 ; 无条件跳转到label1 ; 2. BL指令 - 带链接的跳转（函数调用） bl my_function ; 调用函数，LR = PC + 4 ; 3. BX指令 - 带状态切换的跳转 bx lr ; 返回到调用者（LR -> PC） bx r0 ; 跳转到r0指定的地址 ; ============ 条件跳转实战 ============ mov r0, #100 mov r1, #200 ; if-else结构 cmp r0, r1 bgt if_greater ; 如果 r0 > r1 ; else分支 mov r2, r1 ; r2 = r1 b if_end if_greater: ; if分支 mov r2, r0 ; r2 = r0 if_end: ; switch-case结构（基于值跳转） mov r0, #2 ; 测试值 cmp r0, #1 beq case_1 cmp r0, #2 beq case_2 cmp r0, #3 beq case_3 b default_case case_1: ; 处理case 1 b switch_end case_2: ; 处理case 2 b switch_end case_3: ; 处理case 3 b switch_end default_case: ; 默认处理 switch_end:
三、函数调用与栈操作
1.基本函数调用
; ============ 简单函数（无参数无返回值）============ simple_function: ; 函数体 mov r0, #10 mov r1, #20 add r2, r0, r1 bx lr ; 返回 ; 调用 bl simple_function ; ============ 带参数和返回值的函数 ============ ; C原型：int add(int a, int b) add_function: add r0, r0, r1 ; r0 = a + b (返回值) bx lr ; 返回 ; 调用（参数通过r0,r1传递） mov r0, #100 ; 第一个参数 mov r1, #200 ; 第二个参数 bl add_function ; 调用，返回值在r0 ; ============ 多个参数的函数 ============ ; C原型：int func(int a, int b, int c, int d) multi_param_function: add r0, r0, r1 ; r0 = a + b add r0, r0, r2 ; r0 += c add r0, r0, r3 ; r0 += d bx lr ; 调用（前4个参数用r0-r3） mov r0, #1 mov r1, #2 mov r2, #3 mov r3, #4 bl multi_param_function
2.栈操作与现场保护
; ============ 栈初始化 ============ ; 错误：mov sp, #0x40001000 ; ❌ 非法立即数 ; 正确： ldr sp, =0x40001000 ; ✅ 设置栈底 ; ============ 入栈保护现场 ============ ; STMDB = Store Multiple Decrement Before ; 等价于 STMFD（满递减栈） protect_context: stmfd sp!, {r0-r12, lr} ; 保存所有寄存器和返回地址 ; 或者有选择地保存 stmfd sp!, {r4-r8, lr} ; 只保存需要保护的寄存器 ; ============ 出栈恢复现场 ============ ; LDMIA = Load Multiple Increment After ; 等价于 LDMFD restore_context: ldmfd sp!, {r0-r12, pc} ; 恢复寄存器并返回 ; 注意：这里用pc而不是lr，直接恢复PC跳转 ; ============ 嵌套函数调用完整示例 ============ outer_function: ; 1. 保护现场 stmfd sp!, {r4-r6, lr} ; 2. 函数体 mov r4, #100 mov r5, #200 add r6, r4, r5 ; 3. 调用内部函数 mov r0, r4 ; 参数传递 mov r1, r5 bl inner_function ; 调用 ; 4. 恢复现场并返回 ldmfd sp!, {r4-r6, pc} inner_function: ; 1. 保护现场（如果需要） stmfd sp!, {r7, lr} ; 2. 函数体 add r0, r0, r1 ; 计算 ; 3. 恢复现场并返回 ldmfd sp!, {r7, pc}3.复杂函数参数传递
; ============ 超过4个参数的函数 ============ ; C原型：int func(int a, int b, int c, int d, int e, int f) complex_function: ; 参数布局： ; r0 = a, r1 = b, r2 = c, r3 = d ; 栈中：sp = e, sp+4 = f ; 1. 获取栈中参数 ldr r4, [sp] ; r4 = e ldr r5, [sp, #4] ; r5 = f ; 2. 计算 add r0, r0, r1 ; r0 = a + b add r0, r0, r2 ; r0 += c add r0, r0, r3 ; r0 += d add r0, r0, r4 ; r0 += e add r0, r0, r5 ; r0 += f ; 3. 返回 bx lr ; 调用超过4个参数的函数 call_complex: ; 前4个参数通过寄存器 mov r0, #1 ; a = 1 mov r1, #2 ; b = 2 mov r2, #3 ; c = 3 mov r3, #4 ; d = 4 ; 第5、6个参数通过栈 mov r4, #5 mov r5, #6 stmfd sp!, {r4, r5} ; 压栈参数e和f bl complex_function ; 调用 ; 清理栈空间 add sp, sp, #8 ; 弹出参数四、C与汇编混合编程
1.汇编调用C函数
; ============ 汇编文件 ============ area reset, code, readonly code32 entry ; 声明外部C函数 import c_add import c_multiply preserve8 ; 8字节栈对齐 asm_main: ; 1. 初始化栈 ldr sp, =0x40001000 ; 2. 调用C函数（参数≤4个） mov r0, #10 ; 第一个参数 mov r1, #20 ; 第二个参数 bl c_add ; 调用，返回值在r0 ; 3. 调用另一个C函数 mov r0, #5 mov r1, #6 bl c_multiply ; 4. 死循环 b . end ; ============ C文件 ============ // main.c int c_add(int a, int b) { return a + b; } int c_multiply(int a, int b) { return a * b; }2.C调用汇编函数
; ============ 汇编文件 ============ area code, code, readonly code32 ; 导出函数供C调用 export asm_max export asm_min asm_max: ; 找出两个数中的最大值 ; 原型：int asm_max(int a, int b) cmp r0, r1 movgt r0, r0 ; 如果r0>r1，保持r0 movle r0, r1 ; 否则r0=r1 bx lr asm_min: ; 找出两个数中的最小值 ; 原型：int asm_min(int a, int b) cmp r0, r1 movlt r0, r0 ; 如果r0<r1，保持r0 movge r0, r1 ; 否则r0=r1 bx lr end ; ============ C文件 ============ // main.c extern int asm_max(int a, int b); extern int asm_min(int a, int b); int main(void) { int a = 100, b = 200; int max = asm_max(a, b); // 调用汇编函数 int min = asm_min(a, b); while(1); return 0; }五、工作模式切换实战
1.模式切换代码
; ============ CPSR操作指令 ============ ; MRS - 从状态寄存器读入通用寄存器 ; MSR - 从通用寄存器写入状态寄存器 ; 切换到IRQ模式 switch_to_irq: mrs r0, cpsr ; 读取当前CPSR ; 清除模式位[4:0] bic r0, r0, #0x1F ; 设置IRQ模式(0x12) orr r0, r0, #0x12 ; 禁止IRQ中断（可选） orr r0, r0, #(1 << 7) ; 写回CPSR msr cpsr_c, r0 ; 设置IRQ模式栈指针 ldr sp, =irq_stack_top bx lr ; 切换回User模式 switch_to_user: mrs r0, cpsr ; 清除模式位 bic r0, r0, #0x1F ; 设置User模式(0x10) orr r0, r0, #0x10 ; 开启IRQ中断 bic r0, r0, #(1 << 7) ; 写回CPSR msr cpsr_c, r0 ; 设置User模式栈指针 ldr sp, =user_stack_top bx lr ; ============ 为每个模式设置独立的栈 ============ init_stacks: ; 设置各个模式的栈指针 ; 1. 进入IRQ模式设置栈 mrs r0, cpsr bic r1, r0, #0x1F orr r1, r1, #0x12 ; IRQ模式 msr cpsr_c, r1 ldr sp, =0x40002000 ; IRQ栈 ; 2. 进入SVC模式设置栈 mrs r0, cpsr bic r1, r0, #0x1F orr r1, r1, #0x13 ; SVC模式 msr cpsr_c, r1 ldr sp, =0x40003000 ; SVC栈 ; 3. 回到原来的模式 msr cpsr_c, r0 bx lr
六、完整启动代码示例
; ============ 完整启动代码 ============ area reset, code, readonly code32 entry preserve8 ; 异常向量表 vectors: ldr pc, =reset_handler ; 复位 ldr pc, =undef_handler ; 未定义指令 ldr pc, =swi_handler ; 软件中断 ldr pc, =prefetch_handler ; 预取中止 ldr pc, =data_handler ; 数据中止 nop ; 保留 ldr pc, =irq_handler ; IRQ中断 ldr pc, =fiq_handler ; FIQ中断 reset_handler: ; 1. 设置各个模式的栈指针 bl init_stacks ; 2. 初始化BSS段（清零） ldr r0, =__bss_start ldr r1, =__bss_end mov r2, #0 bss_clear: cmp r0, r1 strlt r2, [r0], #4 blt bss_clear ; 3. 拷贝数据段 ldr r0, =__data_load ; ROM中的数据 ldr r1, =__data_start ; RAM中的目标 ldr r2, =__data_end data_copy: cmp r1, r2 ldrlt r3, [r0], #4 strlt r3, [r1], #4 blt data_copy ; 4. 设置中断向量表 ldr r0, =0x00000000 ; 向量表基址 ldr r1, =vectors mov r2, #8 ; 8个异常向量 vector_copy: cmp r2, #0 ldr r3, [r1], #4 str r3, [r0], #4 sub r2, r2, #1 bne vector_copy ; 5. 初始化中断控制器（省略） ; 6. 开启中断 mrs r0, cpsr bic r0, r0, #(1 << 7) ; 清除I位，开启IRQ msr cpsr_c, r0 ; 7. 跳转到C主函数 import main bl main ; 8. 如果main返回，则进入死循环 b . ; 异常处理函数（简化版） undef_handler: b undef_handler swi_handler: b swi_handler prefetch_handler: b prefetch_handler data_handler: b data_handler irq_handler: ; 1. 保护现场 sub lr, lr, #4 ; 调整返回地址 stmfd sp!, {r0-r12, lr} ; 2. 调用C中断处理函数 import irq_handler_c bl irq_handler_c ; 3. 恢复现场 ldmfd sp!, {r0-r12, pc}^ ; ^表示恢复CPSR fiq_handler: b fiq_handler ; 栈初始化函数 init_stacks: ; 保存当前模式 mrs r0, cpsr mov r4, r0 ; 设置IRQ模式栈 bic r1, r0, #0x1F orr r1, r1, #0x12 msr cpsr_c, r1 ldr sp, =irq_stack_top ; 设置SVC模式栈 bic r1, r0, #0x1F orr r1, r1, #0x13 msr cpsr_c, r1 ldr sp, =svc_stack_top ; 设置ABT模式栈 bic r1, r0, #0x1F orr r1, r1, #0x17 msr cpsr_c, r1 ldr sp, =abt_stack_top ; 设置UND模式栈 bic r1, r0, #0x1F orr r1, r1, #0x1B msr cpsr_c, r1 ldr sp, =und_stack_top ; 返回原始模式 msr cpsr_c, r4 ldr sp, =usr_stack_top bx lr ; 栈区域定义 area stack, data, readwrite irq_stack_base space 256 irq_stack_top svc_stack_base space 1024 svc_stack_top abt_stack_base space 256 abt_stack_top und_stack_base space 256 und_stack_top usr_stack_base space 4096 usr_stack_top end七、调试技巧与常见问题
1.常见错误与解决方案
; ============ 问题1：非法立即数 ============ ; 错误： mov r0, #0x1234 ; ❌ 可能不是合法立即数 ; 解决： ldr r0, =0x1234 ; ✅ 使用LDR伪指令 ; ============ 问题2：栈未对齐 ============ ; 错误： bl c_function ; ❌ 可能导致对齐错误 ; 解决： preserve8 ; ✅ 添加栈对齐伪指令 ; 或者手动对齐 bic sp, sp, #7 ; 8字节对齐 ; ============ 问题3：寄存器未保护 ============ ; 错误： nested_function: mov r4, #100 ; 使用了r4 bl another_function ; another_function可能修改r4 add r0, r4, #1 ; ❌ r4可能已被修改 ; 解决： nested_function: stmfd sp!, {r4, lr} ; ✅ 保护r4和lr mov r4, #100 bl another_function add r0, r4, #1 ldmfd sp!, {r4, pc} ; 恢复并返回 ; ============ 问题4：死循环优化 ============ ; 裸机程序不能退出，需要死循环 finish: b finish ; 简单死循环 ; 或者 wfi ; 等待中断（省电） b finish2.调试宏定义
; ============ 调试辅助宏 ============ ; 设置断点（软件断点） macro $bkpt bkpt #0 mend ; 无限循环（用于调试） macro $debug_loop $label $label b $label mend ; 寄存器打印（通过串口） macro $print_reg $reg ; 假设串口地址在r5 str $reg, [r5] mend ; 使用示例 mov r0, #100 $print_reg r0 ; 打印r0的值 $bkpt ; 断点 $debug_loop loop ; 死循环
