ARM架构与编程——3.编程知识

最新推荐文章于 2024-03-18 00:59:41 发布

lixiaotouDku

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分类专栏： ARM架构与编程学习文章标签： arm开发架构汇编

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参考：<ARM架构与编程> 韦东山

编程知识

一、进制

引入：对同一数值的不同描述
举例：有17个苹果
十进制：17
二进制：10001
八进制：21
十六进制：11
这些都表示同一个数值

1.1 进制的转换规则

X进制：逢X进1
10进制里，每一位的权重，从右往左数：个十百千万，也就是：10^0, 10^1, 10^2,103……
16进制里，每一位的权重，从右往左数，分别是：16^0, 16^1, 16^2, 16^3, 16^4, ……
8进制里，每一位的权重，从右往左数，分别是：8^0, 8^1, 8^2, 8^3, 8^4, ……
2进制里，每一位的权重，从右往左数，分别是：2^0, 2^1, 2^2, 2^3, 2^4, ……

10进制，逢10进1， 16= 1x10^1 + 6x10^0 = 16
16进制：逢16进1, 0x10= 1x16^1 + 0x16^0 = 16
8进制：逢8进1, 020 = 2x8^1 + 0x8^0= 16
2进制：逢2进1, 0b10000 = 1x2^4 + 0x2^3 + 0x2^2 + 0x2^1 +0x2^0 = 16
它们表示的值是一样的。

在代码里，
10进制这样写：123456789，每位最大值为9
16进制这样写：0x12ABCDEF, 每位最大值为15，A表示10，B表示11，C表示12，D表示13，E表示14，F表示15
8进制这样写：01234，每位最大值为7
2进制这样写：0b0110，每位最大值为1 (注意：C语言没有二进制数值的表示方法)

2.2 不同进制间的快速转换

记住权重：
在这里插入图片描述

16进制、2进制互转：1位十六进制对应4位二进制
在这里插入图片描述
8进制、2进制互转：1位八进制对应3位二进制

10进制与其它进制间的转换：10进制数除其它进制（2,8，或者16等）取余法

二、字节序与位操作

2.1 字节序

假设int a = 0x12345678;
16进制数中每位数值占据4 bit；在内存中，是以8个bit作为1byte。
因此0x12345678中每两位作为1byte, 其中0x78是低byte，0x12是高byte。
在内存中的存储方式有两种：

在这里插入图片描述
0x12345678的低位（0x78）存在低地址，即方式1，叫做小字节序(Little endian)；
0x12345678的高位（0x12）存在低地址，即方式2，叫做大字节序(Big endian)；
一般的arm芯片都是小字节序，有些处理器，可以置某个寄存器，让整个系统使用大字节序或小字节序。

2.2 位操作

2.2.1 逻辑移位

在嵌入式开发中，我们只涉及逻辑移位：不关心符号位，都是补0
算术移位，需要分有符号型值和无符号型值：

对于无符号型值，算术移位等同于逻辑移位。
对于有符号型值，算术左移等同于逻辑左移；算术右移补的是符号位，正数补0，负数补1。

逻辑左移

int a = 0x123;  int b = a<<2;  // b=0x48C

在这里插入图片描述
逻辑右移

int a = 0x123;  int b = a>>2;  // b=0x48

在这里插入图片描述

2.2.2 取反

xxxxxxxxxx unsigned int   a = 0x123;
unsigned int   b = ~a;   // b的每一位，都是a对应位的取反

在这里插入图片描述

2.2.3 位与

unsigned int a = 0x123;
unsigned int b = 0x456;
unsigned int c = a & b; // c等于a位与b，即：a,b的每一位进行与操作
两位相与，结果如下：
1 & 1 = 1
1 & 0 = 0
0 & 1 = 0
0 & 0 = 0

在这里插入图片描述

2.2.4 位或

unsigned int a = 0x123;
unsigned int b = 0x456;
unsigned int c = a | b; // c等于a位或b，即：a,b的每一位进行或操作
两位相与，结果如下：
1 | 1 = 1
1 | 0 = 1
0 | 1 = 1
0 | 0 = 0

在这里插入图片描述

2.2.5 置位

unsigned int a = 0x123;
unsigned int b = a | (1<<7) | (1<<8);  // 设置a的bit7, bit8, 赋给b

在这里插入图片描述

2.2.6 清位

unsigned int a = 0x123;
unsigned int b = a & ~((1<<7) | (1<<8));  // 清除a的bit7, bit8, 赋给b

在这里插入图片描述

2.2.7 把某几位设置为某值

比如要把bit7设置为1，把bit8清除为0，这可以分两步操作：
先设置bit7，再清除bit8。
还有一种情况：bit[8:7]= val, 不知道val的取值是多少，怎么办？
先清除bit8、bit7，再或上val，代码如下：## 三、汇编、反汇编、机器码

unsigned int a = 0x123;
unsigned int b = a & ~(3<<7);  /* 清除bit7, bit8 */
b = b | (val << 7);            /* 设置bit7, bit8为val */

三、汇编、反汇编、机器码

3.1 程序处理的四个步骤

举例：
我们的第1个LED程序涉及2个文件：start.S、main.c，它们的处理过程如下：（start.o 为目标文件 led.elf 为可执行程序，可执行程序里面含有机器码及可执行的代码；通过反汇编可得到里面的汇编代码）

在这里插入图片描述

我们想深入理解ARM架构，想深入理解汇编与C，想深入理解栈的作用，想深入理解C语言的实质，就必须把最终的可执行程序，反汇编后，阅读得到的汇编代码。
现在只需要理解“汇编”、“反汇编”的概念：

汇编
汇编文件转换为目标文件(里面是机器码)。
反汇编
可执行文件(目标文件，里面是机器码)，转换为汇编文件。

3.2 Keil下怎么反汇编

在KEIL的User选项中，如下图添加这两项：

fromelf  --bin  --output=led.bin  Objects\led_c.axf
fromelf  --text  -a -c  --output=led.dis  Objects\led_c.axf

然后重新编译，即可得到二进制文件led.bin(以后会分析)、反汇编文件led.dis。
如下图操作：
在这里插入图片描述

3.3 GCC下反汇编

使用GCC工具链编译程序时，在Makefile中有这一句：

$(OBJDUMP) -D -m arm led.elf > led.dis # OBJDUMP = arm-linux-gnueabihf-objdump

它就是把可执行程序led.elf，反汇编，得到led.dis。

3.4 机器码与汇编

前面介绍过伪指令，伪指令是实际不存在的ARM命令，编译器在编译时转换成存在的ARM指令。
我们代码中的ldr r1, =0x????????这条伪指令的真实指令是什么呢?
对于我们使用的3款板子，汇编代码如下(如果你的板子不是这3款之一，请灵活变通，知识是一样的)：

LDR SP, =(0x20000000+0x10000) // STM32F103
ldr sp, =(0x80000000+0x100000) // IMX6ULL
ldr sp, =0xc0000000 + 0x100000 // STM32MP157 A7

我们可以通过反汇编来查看, 只摘取前面一小段。
我们只摘取前面一小段，第一列是地址，第二列是机器码，第三列是汇编：

在这里插入图片描述

3.4.1 机器码与汇编示例

Thumb/Thumb2指令集
在这里插入图片描述
ARM指令集

3.4.2 解析LDR伪指令

为什么 PC=当前指令+4或8？

CORTEX M3/M4
使用Thumb2指令集，一条指令是16位或32位。
CORTEX A7
默认使用ARM指令集，一条指令是32位的。
流水线
ARM指令采用流水线机制：
- 当前执行地址A的指令，
- 同时已经在对下一条指令进行译码
- 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)

3.4.3 总结

C
为了方便人类方便使用，发明的高级语言，要转换为汇编。
汇编
为了解放人类的记忆，发明的“助记符”，不用去记各类机器码。最终要转换为机器码。
机器码
给CPU使用

四、C与汇编的深入分析

4.1 汇编怎样调用C函数

直接调用，在启动文件中，直接运用BL指令调用函数

BL main

怎样传递参数
在arm中有个ATPCS规则(ARM-THUMB procedure call standard（ARM-Thumb过程调用标准）。
约定r0-r15寄存器的用途：

r0-r3
调用者和被调用者之间传参数
r4-r11
函数可能被使用，所以在函数的入口保存它们，在函数的出口恢复它们。

// 示例：
int delay(unsigned int d)
{
	while (d--);
    return 0;
}

在这里插入图片描述
另一种delay函数如何实现
在汇编中调用delay：

ldr  r0, =1000000   /* 给delay函数传参数，保存在r0里 */
bl delay
cmp r0, #0          /* 返回值保存在r0中 */

在这里插入图片描述

4.2 C函数的反汇编码阅读

要解决这几个问题：

为什么调用C函数前要设置栈？
函数调用是通过栈来实现的。。。调用完函数返回时，需要通过栈里的地址来返回。同时，函数的参数也是通过栈来传递。当程序处理比较复杂时，就要利用到栈来保存中间结果之类的，所以要先设置栈
栈的作用是？
- 保存现场/上下文
现场/上下文，意思就相当于案发现场，总有一些现场的情况，要记录下来的，否则被别人破坏掉之后，你就无法恢复现场了。而此处说的现场，就是指CPU运行的时候，用到了一些寄存器，比如r0，r1，r2等等，对于这些寄存器的值，如果你不保存而直接跳转到子函数中去执行，那么很可能就被其破坏了，因为其函数执行也要用到这些寄存器。因此，在函数调用之前，应该将这些寄存器等现场，暂时保持起来(入栈push)，等调用函数执行完毕返回后(出栈pop)，再恢复现场。这样CPU就可以正确的继续执行了。
保存寄存器的值，一般用的是push指令，将对应的某些寄存器的值，一个个放到栈中，把对应的值压入到栈里面，即所谓的压栈。然后待被调用的子函数执行完毕的时候，再调用pop，把栈中的一个个的值，赋值给对应的那些你刚开始压栈时用到的寄存器，把对应的值从栈中弹出去，即所谓的出栈。
其中保存的寄存器中，也包括lr的值（因为用bl指令进行跳转的话，那么之前的pc的值是存在lr中的），然后在子程序执行完毕的时候，再把栈中的lr的值pop出来，赋值给pc，这样就实现了子函数的正确的返回。
- 传递参数
C语言进行函数调用的时候，常常会传递给被调用的函数一些参数，对于这些C语言级别的参数，被编译器翻译成汇编语言的时候，就要找个地方存放一下，并且让被调用的函数能够访问，否则就没发实现传递参数了。对于找个地方放一下，分两种情况。一种情况是，本身传递的参数不多于4个，就可以通过寄存器传送参数。因为在前面的保存现场的动作中，已经保存好了对应的寄存器的值，那么此时，这些寄存器就是空闲的，可以供我们使用的了，那就可以放参数。另一种情况是，参数多于4个时，寄存器不够用，就得用栈了。
- 临时变量保存在栈中
包括函数的非静态局部变量以及编译器自动生成的其他临时变量。
C函数传参
C函数执行过程体验

4.3 Flash上的内容

4.3.1 反汇编示例

在这里插入图片描述

4.3.2 烧写在Flash上的内容

地址	Flash内容
0x08000000	00000000
0x08000004	08000009
0x08000008	f8dfd004
0x0800000c	f000f80c
0x08000010	20010000
0x08000014	bf00b501
0x08000018	1e419800
……	……

4.3.3 启动流程

上电后：

设置栈：CPU会从0x08000000读取值，用来设置SP(我们的程序里再次设置了SP) —>（LDR SP，[PC, #4])
跳转：CPU从0x08000004得到地址值，根据它的BIT0切换为ARM状态或Thumb状态，然后跳转
- 对于cortex M3/M4，它只支持Thumb状态，所以0x08000004上的值bit0必定是1
- 0x08000004上的值 = Reset_Handler + 1
从Reset_Handler继续执行
F103为例：板子上电后去0x08000000位置读到机器码，然后这个值将会被设置到SP栈寄存器里面；然后在Reset_Handler中的第一条指令去设置栈，如果不想执行这条指令，可以把栈的值放到0x08000000的位置；设置好栈后去0x08000000位置去读取到机器码的值，然后这个值将作为函数的地址，赋给PC，bit0为1表示跳过去执行的是Thumb指令；程序也就从0x08000000的位置开始执行