什么是程序

我认为程序就是

  • 一段被烧写在flash里面的机器码（指令）（bin文件）
  • 运行过程中的数据（属于程序里的一部分）

cpu运行期间会在flash取指令然后执行各种操作。

程序运行时CPU如何读写内存

cpu内部有寄存器，R0~R15寄存器
读数据是将数据从内存RAM读取到寄存器，写数据是将数据从寄存器写入内存RAM。
其中读写操作涉及几条汇编指令：LDR、STR、SUB、ADD、CMP、B、BL、POP、PUSH、LDIMA。
下面我们就来介绍一下这些指令。

ARM汇编简介

了解汇编指令之前我们了解一下什么是汇编语言：

1985年，ARM公司推出了第一款ARM（Acorn RISC Machine）处理器，采用精简指令集（RISC）设计理念。他们发布了两类指令集：ARM指令集和Thumb指令集。ARM指令集是32位指令，Thumb指令集是16位指令。所以基于ARM架构的CPU可以同时运行ARM指令集和Thumb指令集。
那怎么区分当前指令是ARM指令集还是Thumb指令集呢？在程序状态寄存器（CPSR）中，有一个标志位T。当T位为0时，当前指令是ARM指令集；当T位为1时，当前指令是Thumb指令集。
但是指令集只是一串二进制代码，我们怎么区分？所以ARM公司推出了Unified Assembly Language（UAL）即统一汇编语言。所以我们只用记住一些简单的指令，在程序前声明THUMB/ARM指令集之后就可以编写代码了。

LDR读内存

格式为：LDR 目的寄存器,<内存地址>

LDR  R0,[R1]       ;将内存地址为R1的字数据读入寄存器R0。
LDR  R0,[R1,R2]    ;将内存地址为R1+R2的字数据读入寄存器R0。
LDR  R0,[R1,＃8]   ;将内存地址为R1+8的字数据读入寄存器R0。
LDR  R0,[R1,R2]!   ;将内存地址为R1+R2的字数据读入寄存器R0，并将新地址R1＋R2写入R1。
LDR  R0,[R1,＃8]!  ;将内存地址为R1+8的字数据读入寄存器R0，并将新地址R1＋8写入R1。
LDR  R0,[R1],R2    ;将内存地址为R1的字数据读入寄存器R0，并将新地址R1＋R2写入R1。
*/

立即数

MOV R0, #VAL  //  将立即数VAL加载到寄存器R0中

什么是立即数，val可以是任何数吗？

  • 立即数是指在指令中直接给出的数值。ARM汇编中用#前缀表示立即数。
  • 立即数并不是任意 32 位整数，由于 ARM 指令的固定长度（32 位），其中一部分位必须用于表示操作码、目标寄存器等。例如“MOV R0, #VAL”这条指令本身就是16位或者32位指令，哪来的空间保存任意数值的VAL?我们暂且认为立即数满足某种规定。

LDR伪指令

但是我就是想将任意数加载到寄存器中，怎么办？
这就引出了LDR伪指令：LDR R0, =VAL。
什么是伪指令？伪指令指的就是不存在的指令，只是编译器在编译时将其转换为实际的指令。例如：

LDR R0, =0X12  
//  0X12是一个立即数，那么编译器会将其转换为MOV R0, #0X12
     
LDR R0, =0X12345678 
/*
  0X12345678不是一个立即数
  编译器会将其转换为LDR R0, [PC, #offset]
  其中这个offset在链接的时候会被计算出来
  label DCD 0X12345678  // 在程序的某一个位置存放这个数据
*/

写内存STR

格式为：STR 源寄存器,<内存地址>

STR R0,[R1],＃8 ;将R0中的字数据写入以R1为地址的存储器中，并将新地址R1＋8写入R1。
STR R0,[R1,＃8] ;将R0中的字数据写入以R1＋8为地址的存储器中。
STR R1,[R0]     ;将R1寄存器的值，传送到以r0为地址的存储器中。

加减SUB、ADD

ADD{S} 目的寄存器,操作数1,操作数2：把两个操作数相加，并将结果存放到目的寄存器中。
操作数1应是一个寄存器，操作数2可以是一个寄存器、被移位的寄存器，或者一个立即数。

ADD  R0,R1,R2           ; R0 = R1 + R2
ADD  R0,R1,#256         ; R0 = R1 + 256
ADD  R0,R2,R3,LSL#1     ; R0 = R2 + (R3 << 1)
 
SUB  R0,R1,R2         ;R0 = R1 - R2
SUB  R0,R1,#256       ;R0 = R1 - 256
SUB  R0,R2,R3,LSL#1   ;R0 = R2 - (R3 << 1)

比较CMP

CMP{条件} 操作数1,操作数2：将一个寄存器的内容和另一个寄存器的内容或立即数进行比较，比较结果放在CPSR中条件标志位的值

CMP R1,R0     ;将寄存器R1的值与寄存器R0的值相减，并根据结果设置CPSR的标志位
CMP R1,＃100  ;将寄存器R1的值与立即数100相减，并根据结果设置CPSR的标志位

跳转指令

指令 功能描述 应用场景 对寄存器的影响 示例
B 实现无条件跳转，跳转值为相对当前PC的偏移量（24位有符号数扩展为32位） 短距离跳转、循环或条件跳转 仅改变程序计数器（PC） B Label;
CMP R1, #0;
BEQ Label;
BL 跳转前将下一条指令地址存入链接寄存器LR（R14），便于子程序返回 子程序调用 改变PC，将返回地址存入LR BL func
BX 跳转到指定地址，根据目标地址寄存器最低位/两位切换处理器状态（1为Thumb，0为ARM） ARM与Thumb指令集间切换跳转 改变PC，切换处理器状态 BX R0
BLX 结合BL和BX功能，跳转前存返回地址到LR，并切换处理器状态 调用Thumb指令集子程序（调用者为ARM指令集） 改变PC，将返回地址存入LR，切换处理器状态 BLX R0

不了解栈的建议先看这篇博客：内存堆栈管理

POP出栈

内存：
0x2000 0294 = 0x1212 1212
0x2000 0298 = 0xEFEF EFEF
0x2000 029C = 0x0000 2079
0x2000 02A0 = 0x0100 0000

一开始SP指向0x2000 0294这个地址
执行指令：POP {R0 -R3} 之后

R0 = 0x1212 1212
R1 = 0xEFEF EFEF
R2 = 0x0000 2079
R3 = 0x0100 0000

SP指向的位置为: 0x2000 02A4

从上面例子可以看出两点

  • POP指令会将栈顶的数据弹出，并且SP会指向栈顶的下一个地址
  • {R0-R3} 这些高标号的寄存器对应高地址
  • 出栈的时候SP指针从低地址向高地址移动

PUSH压栈

一开始SP指向 0x2000 0284

这个时候寄存器的值：
R0 = 0x1212 1212
R1 = 0x0000 1BC3
R2 = 0x0000 1BC3
R3 = 0x0000 0000

执行指令 PUSH {R0 - R3} 之后，

内存地址：
0x2000 0274的值为: 0x1212 1212 --------- R0
0x2000 0278的值为: 0x0000 1BC3 --------- R1
0x2000 027C的值为: 0x0000 1BC3 --------- R2
0x2000 0280的值为: 0x0000 0000 --------- R3

执行之后 堆栈指针，指向的地址为: 0x2000 0274

从上面例子可以看出两点

  • PUSH指令会将寄存器中的数据压栈，并且SP会指向栈顶的下一个地址
  • {R0-R3} 这些高标号的寄存器对应高地址
  • 入栈的时候SP指针从高地址向低地址移动