本篇博客的目的：介绍一些指令的使用方法，以及一些基础概念，为后面编写处理器的启动代码服务。
一、ARM 汇编学习的目标
我们学习 ARM 汇编，最终目的是编写处理器的启动代码。当处理器复位后，硬件环境是裸机状态，无法直接运行 C 语言代码，启动代码的核心作用就是完成硬件基础初始化，搭建 C 语言运行的最小环境，最终引导程序跳转到 C 语言主函数执行。
启动代码的核心任务只有 5 项，本文所有知识点都将围绕这 5 项任务展开：
- 初始化异常向量表；
- 初始化各工作模式的栈指针寄存器；
- 开启 ARM 内核中断允许；
- 将工作模式设置为 User 用户模式；
- 完成初始化后，引导程序跳转到 C 语言 main 函数执行。
二、ARM 汇编基础：立即数解析
2.1 什么是立即数
立即数（Immediate Value）是直接包含在机器指令中的常数操作数，指令执行时可以直接使用，无需从寄存器或内存中读取，执行效率极高。
在 ARM32 位架构中，数据处理指令的立即数是12 位编码，但这 12 位并不是直接存储数值，而是采用了特殊的压缩编码方案。
2.2 12 位立即数的编码规则
ARM 将 12 位的立即数字段拆分为两部分：
- 高 4 位：循环右移值
rotate（取值范围 0~15） - 低 8 位：无符号常数
imm8（取值范围 0~255）
最终的有效数值计算公式为：有效数值 = imm8 循环右移 (2 * rotate) 位
这里的核心限制是：移位步长固定为 2 位，因此实际有效移位只能是 0、2、4...30 位的偶数位，这也是立即数合法性判断的核心依据。
图 1：《ARM 12 位立即数编码结构图》示意图说明：32 位 ARM 指令中，[11:8] 位为 4 位 rotate 循环移位值，[7:0] 位为 8 位 imm8 常数，标注计算公式与有效数值的生成逻辑，直观展示 12 位编码如何表示 32 位数值。
2.3 12 位立即数合法性判断三大规则
判断一个数是否为合法的 12 位立即数，只需遵循以下 3 条规则，满足所有规则即为合法立即数：
- 若数值范围在 0~0xFF（0~255）之间，一定是合法立即数；
- 数值转换为二进制后，最高位 1 到最低位 1 之间的有效位数，不超过 8 位；
- 上述 8 位有效序列的右侧，必须有偶数个连续的 0。
我们结合正反案例，搞懂判断逻辑：
表格
| 数值 | 二进制展开 | 合法性判断 | 原因 |
|---|---|---|---|
| 0x234 | 0000 0000 0000 0000 0000 0010 0011 0100 | 合法 | 有效位 10001101 共 8 位，末尾有 2 个 0（偶数） |
| 0x3f4 | 0000 0000 0000 0000 0000 0011 1111 0100 | 合法 | 有效位 11111101 共 8 位，末尾有 2 个 0（偶数） |
| 0x132 | 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0011 0010 | 非法 | 有效位 10011001 共 8 位，但末尾只有 1 个 0（奇数） |
| 0x7f8 | 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1111 1000 | 非法 | 有效位 11111111 共 8 位，但末尾有 3 个 0（奇数） |
| 0xfab4 | 0000 0000 0000 0000 1111 1010 1011 0100 | 非法 | 最高位 1 到最低位 1 的有效位数超过 8 位 |
图 2：《立即数合法性判断流程图》示意图说明：从输入数值开始，第一步判断是否≤0xFF，是则直接合法；否则转第二步判断有效位数是否≤8 位，不满足则非法；满足则转第三步判断末尾 0 的个数是否为偶数，是则合法，否则非法。
2.4 非立即数的处理方案
如果我们需要给寄存器加载一个非法立即数，需使用ldr伪指令。
ldr伪指令可以直接加载任意 32 位数值到寄存器，语法如下：
arm
ldr r0, =0x12345678 @ 将32位非立即数0x12345678加载到r0寄存器除此之外，ldr原生指令的核心作用是从内存中加载数据到寄存器，常用的三种寻址方式如下：
arm
@ 1. 基址偏移寻址：将内存地址R1+4的字数据读入R0， 类似r0 = *(r1 + 4)
ldr r0, [r1, #4]
@ 2. 事后更新寻址：将R1地址的字数据读入R0，之后R1自增1，类似r0 = *r1++
ldr r0, [r1], #1
@ 3. 前索引带更新寻址：R1更新为R1+1， 将R1+8地址的字数据读入R0，类似r0 = *++r1
ldr r0, [r1, #1]!
只是举个例子说明实际基本不会一个字节的自增，一般为4的整数倍三、ARM 核心数据处理指令
3.1 基础数据操作指令
表格
| 指令 | 核心作用 | 语法示例 | 示例说明 |
|---|---|---|---|
| mov | 数据搬移，将立即数 / 寄存器值加载到目标寄存器 | mov r0, #2 mov r1, r0 |
立即数 2 加载到 r0 r0 的值复制到 r1 |
| add | 加法运算 | add r0, r1, #5 add r0, r1, r2 |
r0 = r1 + 5 r0 = r1 + r2 |
| sub | 减法运算 | sub r0, r1, #3 sub r0, r1, r2 |
r0 = r1 - 3 r0 = r1 - r2 |
| bic | 位清零指令，将指定位清零 | bic r0, r0, #0x1F |
将 r0 的低 5 位全部清零 |
| orr | 位置位指令，将指定位置 1 | orr r0, r0, #0x10 |
将 r0 的第 4 位（bit4）置 1 |
3.2 指令的 S 后缀与状态标志位
几乎所有 ARM 数据处理指令，都可以在指令后添加s后缀，其核心作用是：指令执行后，自动更新 CPSR 当前程序状态寄存器的 N、Z、C、V 四个标志位。
四个标志位的核心含义：
- N 位（负号位）：有符号数运算结果为负数时，N=1；非负数时 N=0
- Z 位（零位）：运算结果为 0 时，Z=1；结果非零时 Z=0
- C 位（进位位）：无符号数运算发生进位时 C=1；减法发生借位时 C=0
- V 位（溢出位）：会在下面两种情形变为1，两个最高有效位均为0的数相加，得到的结果最高有效位为1；两个最高有效位均为1的数相加，得到的结果最高有效位为0；除了这两种情况以外V位为0
示例：
arm
mov r0, #0xFFFFFFFF
adds r1, r0, #1 @ 加s后缀，运算后更新标志位
@ 运算结果为0，Z=1；无符号数发生进位，C=13.3 ARM 汇编：指令的条件执行
ARM 架构的核心优势之一，就是几乎所有指令都支持条件执行 ------ 指令只有在满足预设的标志位条件时，才会真正执行。无需频繁跳转指令，即可实现分支逻辑，大幅提升流水线执行效率。
所有条件码与对应规则如下表：
表 ：《ARM 指令条件码速查表》表格示意图，包含条件码、助记符、核心含义、触发标志位状态四列，核心内容如下：
表格
| 条件码 | 助记符 | 核心含义 | 标志位触发条件 |
|---|---|---|---|
| 0000 | EQ | 相等 | Z == 1 |
| 0001 | NE | 不相等 | Z == 0 |
| 0010 | CS/HS | 进位 / 无符号数大于等于 | C == 1 |
| 0011 | CC/LO | 无进位 / 无符号数小于 | C == 0 |
| 0100 | MI | 负数 / 减号 | N == 1 |
| 0101 | PL | 正数 / 零 | N == 0 |
| 0110 | VS | 有符号溢出 | V == 1 |
| 0111 | VC | 无有符号溢出 | V == 0 |
| 1000 | HI | 无符号数大于 | C == 1 且 Z == 0 |
| 1001 | LS | 无符号数小于等于 | C == 0 或 Z == 1 |
| 1010 | GE | 有符号数大于等于 | N == V |
| 1011 | LT | 有符号数小于 | N != V |
| 1100 | GT | 有符号数大于 | Z == 0 且 N == V |
| 1101 | LE | 有符号数小于等于 | Z == 1 或 N != V |
| 1110 | AL | 无条件执行（默认） | 无限制 |
cmp比较指令经常搭配条件执行，它的本质是对两个数做减法，不保存运算结果，只更新 CPSR 的标志位，语法如下：
arm
mov r0, #100
cmp r0, #100 @ 比较r0和100，结果为0，Z标志位置1
moveq r1, #1 @ 只有Z=1（相等）时，才将1加载到r1四、ARM 跳转与函数调用指令
跳转指令是实现程序分支、循环、函数调用的核心，我们重点区分 3 个核心跳转指令的区别与使用场景。
4.1 三大跳转指令核心区别
表格
| 指令 | 核心作用 | 执行逻辑 | 核心使用场景 |
|---|---|---|---|
| b | 无条件跳转 | 直接修改 PC 程序计数器的值，跳转到目标地址 | 简单分支、循环、无需返回的跳转 |
| bl | 带链接的跳转 | 先将下一条指令的地址保存到 LR 链接寄存器，再修改 PC 跳转到目标地址 | 函数调用，可通过 LR 寄存器返回调用处 |
| bx | 带状态切换的跳转 | 将寄存器中的地址加载到 PC，同时根据地址最低位切换 ARM/Thumb 指令集 | 函数返回，常用bx lr实现函数返回 |
4.2 条件跳转与循环实现
结合条件码，我们可以用b+条件码实现循环逻辑，最经典的示例：实现 0 到 100 的累加求和
arm
mov r0, #0 @ 循环变量i，初始值0
mov r1, #0 @ 累加和sum，初始值0
loop:
add r1, r1, r0 @ sum = sum + i
add r0, r0, #1 @ i = i + 1
cmp r0, #100 @ 比较i和100
ble loop @ 若i <= 100，跳转到loop继续循环
@ 循环结束后，r1中存储0+1+2+...+100的结果4.3 函数调用的核心：现场保护与恢复
用bl指令实现函数调用时，会遇到两个问题：
- 函数内部修改了通用寄存器的值，会破坏调用处的寄存器数据；
- 发生函数嵌套调用时，LR 寄存器的值会被覆盖，导致无法返回最开始的调用处。
解决这两个问题的方案，就是栈：函数调用前，将需要保护的寄存器入栈保存；函数执行完毕返回后，再出栈恢复寄存器数据，这就是嵌入式开发中常说的 "保护现场" 与 "恢复现场"。
五、ARM 栈机制解析
栈是 ARM 汇编与 C 语言运行的核心基础，现场保护、函数传参、局部变量存储都离不开栈。
5.1 栈的核心概念
栈是一段连续的内存空间，遵循 先进后出 的访问规则，SP（r13）栈指针寄存器永远指向栈顶，ARM 架构中通过stmfd/ldmfd指令实现入栈和出栈操作。
5.2 栈的四大分类与特性
根据栈指针的移动方向、数据写入与指针移动的顺序，栈分为四大类：
- 空增栈：先写入数据，再让栈指针向高地址自增
- 空减栈：先写入数据，再让栈指针向低地址自减
- 满增栈：先让栈指针向高地址自增，再写入数据
- 满减栈：先让栈指针向低地址自减，再写入数据
核心概念区分：
- 增栈：入栈时栈指针向内存高地址移动；减栈：入栈时栈指针向内存低地址移动
- 空栈：栈指针指向空闲的可写入位置，先写数据再移动指针；满栈：栈指针指向最后一个已写入的有效数据，先移动指针再写数据
5.3 ARM 标准栈：满减栈
ARM 体系架构默认采用满减栈 ，对应的入栈指令为stmfd，出栈指令为ldmfd，语法如下：
arm
@ 入栈：将r0-r12、lr寄存器的值入栈保存，!表示SP自动更新
stmfd sp!, {r0-r12, lr}
@ 出栈：从栈中恢复数据到r0-r12、pc寄存器，^表示同时恢复SPSR到CPSR
ldmfd sp!, {r0-r12, pc}^满减栈的操作流程：
- 栈底设置为内存高地址，例如
0x40001000； - 入栈时，SP 先向低地址自减 4（32 位数据），再将寄存器数据写入 SP 指向的地址；
- 出栈时，先读取 SP 指向地址的数据到寄存器，再将 SP 向高地址自增 4。
六、汇编与 C 语言互调规则
启动代码的最终目标是跳转到 C 语言主函数，因此汇编与 C 语言的互调是必须掌握的核心规则。
6.1 规范
- 函数传参规则：参数个数≤4 个时，通过 R0-R3 寄存器依次传递；参数个数＞4 个时，第 5 个及以后的参数通过栈传递。
- 函数返回值规则：C 函数的返回值，通过 R0 寄存器传递给汇编代码。
- 现场保护规则：调用者负责保护 R0-R3、R12、LR 寄存器；被调用者如果使用 R4-R11 寄存器，必须自行入栈保护，函数返回前出栈恢复。
- 内存对齐规则 ：汇编代码开头必须添加
preserve8伪指令，保证 8 字节内存对齐，兼容 C 语言的编译要求。
6.2 汇编调用 C 语言函数
汇编调用 C 函数的完整步骤：
- 用
import关键字声明 C 函数名，告知汇编器该函数在外部 C 文件中定义； - 调用前通过
stmfd入栈保护需要保留的寄存器，完成现场保护； - 按照参数顺序，给 R0-R3 寄存器赋值，超过 4 个的参数入栈；
- 通过
bl指令调用 C 函数； - 调用完成后，通过
ldmfd出栈恢复寄存器，完成现场恢复； - 从 R0 寄存器中读取 C 函数的返回值。
示例：汇编调用 C 语言的加法函数C 函数定义：
c
运行
// add.c
int add_c(int a, int b, int c, int d)
{
return a + b + c + d;
}汇编调用代码：
arm
preserve8
import add_c @ 声明C函数
@ 调用前保护现场
stmfd sp!, {r0-r12, lr}
@ 给4个参数赋值，依次放入R0-R3
mov r0, #1
mov r1, #2
mov r2, #3
mov r3, #4
@ 调用C函数
bl add_c
@ 调用后恢复现场，函数返回值已存入R0
ldmfd sp!, {r0-r12, lr}6.3 C 语言调用汇编函数
C 调用汇编函数的完整步骤：
- 汇编代码中，用
export关键字导出汇编函数名，让 C 文件可以链接调用； - C 代码中，用
extern关键字声明汇编函数的原型，和普通 C 函数声明一致； - C 代码调用函数时，编译器自动通过 R0-R3 / 栈传递参数；
- 汇编函数中完成业务逻辑，将返回值放入 R0 寄存器，通过
bx lr返回。
示例：C 调用汇编实现的加法函数汇编代码：
arm
preserve8
export asm_add @ 导出汇编函数
asm_add:
@ 函数参数a在R0，参数b在R1
add r0, r0, r1 @ 计算a+b，结果放入R0作为返回值
bx lr @ 函数返回C 代码调用：
c
运行
// main.c
#include <stdio.h>
// 声明汇编函数
extern int asm_add(int a, int b);
int main(void)
{
int res = asm_add(10, 20);
printf("res = %d\n", res);
return 0;
}