FreeRTOS学习（五）：ARM架构基础：寄存器、栈操作与指令详解（必看！超重要！建议收藏！）

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FreeRTOS学习（五）：ARM架构基础：寄存器、栈操作与指令详解（必看！超重要！建议收藏！）

文章目录

FreeRTOS学习（五）：ARM架构基础：寄存器、栈操作与指令详解（必看！超重要！建议收藏！）
- 前言
1.从简单程序讲解
- cpu与ram
2. ARM核心寄存器详解
3. 栈操作详解
4. 常用ARM指令
- 4.1 数据移动指令
- 4.2 函数调用示例
5. ARM架构栈结构
- 5.1 栈的组成部分
总结

前言

ARM架构是当今最流行的嵌入式处理器架构之一。本文将详细介绍ARM架构中的核心概念，包括重要寄存器、基本指令和栈操作。因为FreeRTOS后面的讲解会用，所以现在给大家普及一下

1.从简单程序讲解

cpu与ram

要是运行a=a+b的话，cpu与ram之间的交互会如下
在这里插入图片描述
首先需要从内存读取操作数
然后在CPU中进行计算
最后将结果写回内存
而它是怎么入栈，答案是从flash那里得到指令

R1是参数传递和返回值的寄存器

在这里插入图片描述
这个过程展示了：

CPU中有R0-R15共16个寄存器
RAM中存储了变量a
Flash中存储了程序指令
通过指令将RAM中的变量a读取到CPU的R1寄存器中

cpu内部的寄存器是怎么样的，指令是如何指导入栈出栈的就是下面的内容

2. ARM核心寄存器详解

在这里插入图片描述

2.1 程序计数器(PC)

功能：存储当前执行指令的地址
特点：自动递增，指向下一条指令
应用场景：程序执行流程控制

2.2 链接寄存器(LR/R14)

功能：存储函数返回地址
特点：函数调用时自动保存返回点
使用场景：函数调用与返回

2.3 栈指针(SP/R13)

功能：指向当前栈顶位置
作用：管理函数调用栈
应用：局部变量存储、上下文切换

2.4 通用寄存器(R0-R12)

R0-R3：参数传递和返回值

// 这是Caller(调用者)函数
int main() {
    int result;
    // 调用calculate函数,main此时就是Caller
    result = calculate(10, 20, 30, 40);
    return result;
}

// 这是Callee(被调用者)函数
int calculate(int a, int b, int c, int d) {
    // calculate被main调用,所以是Callee
    return (a + b) * c / d;
}

对应的ARM汇编示例:

; Caller: main函数
main:
    ; 准备参数
    MOV R0, #10    ; 第一个参数
    MOV R1, #20    ; 第二个参数
    MOV R2, #30    ; 第三个参数
    MOV R3, #40    ; 第四个参数
    
    ; 调用calculate函数
    BL calculate   ; Branch with Link
    
    ; 使用返回值(在R0中)
    MOV R4, R0
    BX LR

; Callee: calculate函数
calculate:
    ; 保存寄存器
    PUSH {R4-R11, LR}
    
    ; 使用传入的参数(R0-R3)进行计算
    ADD R0, R0, R1  ; R0 = a + b
    MUL R0, R0, R2  ; R0 = (a+b) * c
    UDIV R0, R0, R3 ; R0 = ((a+b)*c) / d
    
    ; 恢复寄存器并返回
    POP {R4-R11, PC}

在这里插入图片描述

R4-R11：局部变量
Stack Memory是栈内存
R12：IP(临时寄存器)

3. 栈操作详解

3.1 PUSH指令

PUSH {R0-R3, LR} ; 将R0-R3和LR压入栈
PUSH {R4-R11} ; 将R4-R11压入栈
PUSH {R0-R3, LR} 的执行过程：

3.2 POP指令

POP {R4-R11} ; 从栈中恢复R4-R11
POP {R0-R3, PC} ; 从栈中恢复R0-R3，并返回
POP {R4-R11} 的执行过程：

执行顺序：

3.3 BL指令

跳转到目标地址执行
将下一条指令的地址保存到LR寄存器(R14)中
常用于函数调用
工作过程：

LR = PC + 4 (保存返回地址)
PC = 目标地址 (跳转执行)
函数返回时使用BX LR指令返回

main:
; 其他代码
BL function1 ; 调用function1函数
; 继续执行

function1:
PUSH {LR} ; 保存返回地址
; 函数代码
POP {PC} ; 返回

PUSH用于将寄存器内容压入栈中进行保存，通常在函数开始时使用以保护现场；POP则相反，用于从栈中恢复寄存器的值，通常在函数返回前使用以恢复现场。BL (Branch with Link) 指令用于函数调用，它会在跳转到目标函数之前，将下一条指令的地址保存到LR寄存器中，这样函数执行完后就能知道返回到哪里继续执行。这三个指令的配合使用构成了ARM汇编中完整的函数调用框架，确保了程序可以正确地进行函数调用、现场保护和恢复，以及函数返回。

function:
    PUSH {R4-R8, LR}    ; 保护现场
    BL other_function   ; 调用其他函数
    POP {R4-R8, PC}     ; 恢复现场并返回

4. 常用ARM指令

4.1 数据移动指令

MOV R0, #1 ; 将立即数1移入R0

在这里插入图片描述
LDR R0, [R1] ; 从R1指向的内存加载到R0

STR R0, [R1] ; 将R0存储到R1指向的内存
在这里插入图片描述

4.2 函数调用示例

function:
    PUSH {R4-R11, LR}    ; 保存寄存器
    ; 函数体
    POP {R4-R11, PC}     ; 恢复寄存器并返回

; 调用函数
    BL function          ; 调用函数，自动保存返回地址到LR

5. ARM架构栈结构

5.1 栈的组成部分

xPSR寄存器 (0x01000000)
PC寄存器（任务函数地址）
LR寄存器（任务错误返回地址）
R12寄存器
R3-R1寄存器
R0寄存器
EXC_RETURN
R11-R4寄存器
从上到下地址依次降低(高地址→低地址)
硬件自动保存的寄存器在异常发生时会自动入栈
软件手动保存的寄存器需要在代码中显式保存

这种栈结构设计主要用于:

中断/异常处理时的上下文保存
任务切换时的现场保护
函数调用时的参数传递和返回
保证程序执行的连续性和正确性

栈的操作通过PUSH和POP指令完成,遵循先进后出(FILO)原则。

总结

本文详细介绍了ARM架构的核心概念，包括：

重要寄存器的功能和用途
栈操作的基本原理
常用指令的使用方法
实际应用场景
这些知识对于理解ARM架构程序执行流程、编写底层代码和驱动、以及程序调试和优化都具有重要意义

重要寄存器系统
通用寄存器(R0-R12):
R0-R3常用于函数参数传递和返回值
R4-R11为需要保护的寄存器
R12作为IP(临时)寄存器使用
特殊功能寄存器:
PC(R15): 程序计数器,指向下一条待执行指令
LR(R14): 链接寄存器,保存函数返回地址
SP(R13): 栈指针,维护栈空间
状态寄存器(xPSR):
包含条件标志位(N,Z,C,V等)
控制中断使能/禁止
处理器工作模式标志
栈操作机制
基本原理:
向下生长的满栈结构
支持8字节对齐操作
采用FILO(先进后出)原则
主要功能:
函数调用帧的建立和释放
局部变量的动态分配
寄存器现场的保存和恢复
中断和异常处理时的上下文切换
操作指令:
PUSH实现数据入栈
POP实现数据出栈
支持多寄存器同时操作
指令系统特点
数据处理指令:
MOV/MVN用于数据传输
ADD/SUB等算术运算
AND/ORR等逻辑运算
存储器访问指令:
LDR/STR实现字数据传输
LDRB/STRB处理字节数据
LDM/STM用于批量数据传输