ARM 汇编学习笔记（二）启动代码、指令、函数调用与 C 混合编程

本文根据 ARM 汇编课程笔记整理，主要围绕 编写 ARM 启动代码 展开。启动代码的目标是在处理器复位后，搭建 C 语言运行所需的最基本环境，最终引导程序进入 main 函数。

[1. 环境准备](#1. 环境准备)
[2. 启动代码的主要任务](#2. 启动代码的主要任务)
[3. 汇编格式与伪操作](#3. 汇编格式与伪操作)
[4. 常用 ARM 指令](#4. 常用 ARM 指令)
- [4.1 MOV 传送指令](#4.1 MOV 传送指令)
- [4.2 ADD / SUB 加减法指令](#4.2 ADD / SUB 加减法指令)
- [4.3 什么是 12 位立即数](#4.3 什么是 12 位立即数)
- [4.4 LDR / STR 加载与存储](#4.4 LDR / STR 加载与存储)
- [4.5 MVN / BIC / ORR 位操作](#4.5 MVN / BIC / ORR 位操作)
- [4.6 条件标志 NZCV 与 CMP](#4.6 条件标志 NZCV 与 CMP)
- [4.7 跳转指令 B / BL / BX](#4.7 跳转指令 B / BL / BX)
[5. 循环结构](#5. 循环结构)
[6. 函数定义与调用](#6. 函数定义与调用)
- [6.1 PC 与 LR](#6.1 PC 与 LR)
- [6.2 栈与保护现场](#6.2 栈与保护现场)
- [6.3 STMFD / LDMFD](#6.3 STMFD / LDMFD)
- [6.4 汇编调用 C 函数](#6.4 汇编调用 C 函数)
- [6.5 C 语言调用汇编函数](#6.5 C 语言调用汇编函数)
[7. 修改工作模式](#7. 修改工作模式)
[8. 异常向量表](#8. 异常向量表)
[9. 作业与参考答案](#9. 作业与参考答案)
[10. 总结](#10. 总结)

1. 环境准备

开发工具：Keil 4
参考文档：ARMv7A_V7R_Architecture_Reference_Manual

学习 ARM 汇编的主要目的不是为了写纯汇编程序，而是为了编写启动代码。启动代码运行在 C 语言环境之前，负责初始化硬件和运行环境。

2. 启动代码的主要任务

处理器复位后，启动代码通常需要完成以下工作：

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 模式
引导程序进入 C 语言主函数执行

因此，汇编指令的学习主要围绕这几个目的展开。

3. 汇编格式与伪操作

伪操作不是 ARM 处理器实际执行的指令，而是写给汇编器的命令，用于指导汇编器如何工作。

asm 复制代码

    AREA reset, CODE, READONLY
    CODE32
    ENTRY

    END

AREA：定义一个段。程序、数据、堆栈等都需要组织在不同的段中。
reset：段名，通常表示复位向量段，即 CPU 上电后首先执行的第一段代码。
CODE：指定该段属性为代码，包含可执行指令。
READONLY：只读属性，代码段通常默认且必须只读。
CODE32：后续指令使用 32 位 ARM 指令集。
THUMB：后续指令使用 16 位 Thumb 指令集。
ENTRY：指定程序入口。
END：汇编文件结束。

4. 常用 ARM 指令

4.1 MOV 传送指令

asm 复制代码

MOV{S}<c> <Rd>, #<const>
MOV{S}<c> <Rd>, <Rm>

MOV 也可以带移位操作：

MOV 形式	等价规范形式
`MOV{S} <Rd>, <Rm>, ASR #<n>`	`ASR{S} <Rd>, <Rm>, #<n>`
`MOV{S} <Rd>, <Rm>, LSL #<n>`	`LSL{S} <Rd>, <Rm>, #<n>`
`MOV{S} <Rd>, <Rm>, LSR #<n>`	`LSR{S} <Rd>, <Rm>, #<n>`
`MOV{S} <Rd>, <Rm>, ROR #<n>`	`ROR{S} <Rd>, <Rm>, #<n>`
`MOV{S} <Rd>, <Rm>, ASR <Rs>`	`ASR{S} <Rd>, <Rm>, <Rs>`
`MOV{S} <Rd>, <Rm>, LSL <Rs>`	`LSL{S} <Rd>, <Rm>, <Rs>`
`MOV{S} <Rd>, <Rm>, LSR <Rs>`	`LSR{S} <Rd>, <Rm>, <Rs>`
`MOV{S} <Rd>, <Rm>, ROR <Rs>`	`ROR{S} <Rd>, <Rm>, <Rs>`
`MOV{S} <Rd>, <Rm>, RRX`	`RRX{S} <Rd>, <Rm>`

注意：

与 C 语言赋值运算对比（左值/右值），便于理解。
#<n> / <Rs> 取值范围一般为 0 - 31。
RRX 是扩展右移，不需要移位量。
计算机只识别二进制数据，没有有无符号、浮点等概念，这些是解释方式。

示例：

asm 复制代码

    MOV r0, #0x8
    MOV r1, r0
    MOV r3, #31

    MOV r0, #1
    MOV r6, r0, LSL #31
    MOV r7, r0, LSL r3

4.2 ADD / SUB 加减法指令

ADD 指令格式：

asm 复制代码

ADD{S}<c> <Rd>, <Rn>, #<const>
ADD{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>{, <shift>}
ADD{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>, <type> <Rs>

SUB 指令格式类似：

asm 复制代码

SUB{S}<c> <Rd>, <Rn>, #<const>
SUB{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>{, <shift>}
SUB{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>, <type> <Rs>

示例：

asm 复制代码

    MOV r0, #0x0F
    MOV r1, #0xF0
    MOV r2, #1

    ADD r6, r0, #0xF0
    ADD r7, r0, r1
    ADD r7, r0, r1, LSL #1
    ADD r8, r0, r1, LSL r2

    SUB r6, r0, #0xF0
    SUB r7, r0, r1
    SUB r7, r0, r1, LSL #1
    SUB r8, r0, r1, LSL r2

注意：

{, <shift>} 中 {} 表示可选，, 表示使用时需要在 Rm 后添加逗号和移位量。
为什么没有 ADD r0, #3, #2？因为 C 语言中 int a = 1 + 2; 会在编译阶段计算，不需要在机器指令中体现。

4.3 什么是 12 位立即数

ARM 数据处理指令中的立即数并不是任意 32 位数，而是 12 位立即数 imm12。

判断标准：

把某个数展开成二进制，该数必须存在一种 循环右移偶数位 的方式，使得移位后高 24 位全 0，低 8 位即为有效 imm8。

编码格式：

复制代码

0000 (rotate) 0000 0000 (imm8)
N(0-15)        1000 0001
2N(0-30)

也就是说，一个 32 位数如果能由一个 8 位立即数循环右移偶数位得到，它就是合法立即数。

例如：

asm 复制代码

    MOV r0, #0x80000000   ; 合法，1 循环右移 2 位？
    LDR sp, =0x40001000   ; 非法立即数，需要用 LDR 伪指令加载

4.4 LDR / STR 加载与存储

asm 复制代码

LDR<c> <Rt>, <label>
STR<c> <Rt>, <label>

笔记中写的 sdr 应为 STR。

LDR 除了加载内存数据，还常用作伪指令加载 32 位立即数：

asm 复制代码

    LDR sp, =0x40001000

因为 0x40001000 不是合法 12 位立即数，不能直接 MOV sp, #0x40001000。

4.5 MVN / BIC / ORR 位操作

MVN：按位取反传送

asm 复制代码

MVN{S}<c> <Rd>, #<const>{, <shift>}
MVN{S}<c> <Rd>, <Rm>
MVN{S}<c> <Rd>, <Rm>, <type> <Rs>

BIC：位清除，指定位置 0

asm 复制代码

BIC{S}<c> <Rd>, <Rn>, #<const>
BIC{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>{, <shift>}
BIC{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>, <type> <Rs>

示例：

asm 复制代码

    MOV r0, #0xFFFFFFFF
    MOV r1, #1
    BIC r2, r0, r1, LSL #31
    BIC r3, r0, #(1 << 31)

ORR：位置 1

asm 复制代码

ORR{S}<c> <Rd>, <Rn>, #<const>
ORR{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>{, <shift>}
ORR{S}<c> <Rd>, <Rn>, <Rm>, <type> <Rs>

示例：

asm 复制代码

    MOV r0, #0x00
    MOV r1, #1
    MOV r2, #31
    ORRS r6, r0, #0x80000000
    ORRS r7, r0, #(1 << 31)
    ORRS r8, r0, r1, LSL #31
    ORRS r9, r0, r1, LSL r2

4.6 条件标志 NZCV 与 CMP

CPSR 寄存器中条件判断标志位：

N：符号标志位。上条指令执行结果最高位 bit31 为 1，则 N = 1，作为有符号解释时为负值。
Z：零值标志位。结果为 0，则 Z = 1。
C：进位标志位。无符号解读，加法进位或减法无借位时 C = 1。
V：溢出标志位。有符号解读，发生溢出时 V = 1（两个正数加得负数，两个负数加得正数）。

常见条件码：

条件码	含义
EQ	相等
NE	不相等
GE	有符号大于等于
GT	有符号大于
LE	有符号小于等于
LT	有符号小于
AL	无条件执行

CMP 比较指令

asm 复制代码

CMP<c> <Rn>, #<const>
CMP<c> <Rn>, <Rm>{, <shift>}
CMP<c> <Rn>, <Rm>, <type> <Rs>

CMP r0, r1 等价于 SUBS r0, r1，只更新标志位，不保存结果。

练习：比较获取三个数中最大值。

4.7 跳转指令 B / BL / BX

指令	说明	是否保存返回地址	目标
`B`	普通分支	否	标签
`BL`	带链接分支，函数调用	是，保存到 LR	标签
`BX`	分支并交换指令集	否	寄存器

asm 复制代码

B<c> <label>
b fun          ; 等价于 ldr pc, =fun

BL<c> <label>
bl fun

BX<c> <Rm>
bx lr          ; 等价于 mov pc, lr

5. 循环结构

循环三要素：

循环结束条件
推动循环趋向终结的语句
循环体

do...while 的汇编实现

C 语言：

c 复制代码

int i = 0;
int sum = 0;
do {
    sum += i;
    i++;
} while (i <= 100);

汇编：

asm 复制代码

    MOV r0, #0      ; i
    MOV r1, #0      ; sum
loop
    ADD r1, r1, r0
    ADD r0, r0, #1
    CMP r0, #100
    BLE loop

while / for 的汇编实现

C 语言：

c 复制代码

int i = 0;
int sum = 0;
while (i <= 100) {
    sum += i;
    i++;
}

汇编：

asm 复制代码

    MOV r0, #0
    MOV r1, #0
loop
    CMP r0, #100
    BGT finish
    ADD r1, r1, r0
    ADD r0, r0, #1
    B loop
finish
    B finish

6. 函数定义与调用

6.1 PC 与 LR

PC 是程序计数器。
LR（R14）保存子程序返回地址。
调用函数：BL func 会把下一条指令地址保存到 LR，然后跳转。
返回：BX LR 或 MOV PC, LR。

示例：

asm 复制代码

    B main

func
    MOV r0, #1
    MOV r1, #2
    ADD r3, r0, r1
    BX lr

main
    MOV r0, #100
    MOV r1, #200
    BL func
    MOV r3, #300

6.2 栈与保护现场

问题：

函数被调可能修改主调寄存器。
函数嵌套时，LR 只有一个，无法正确返回。

解决：压栈保护现场，弹栈恢复现场。

栈类型：

空栈：*sp = xxxx，sp++
满栈：sp++，*sp = xxxx
增栈：sp += 4
减栈：sp -= 4

ARM 2440 通常采用 满减栈。

栈顶指针初始化：

asm 复制代码

    LDR sp, =0x40001000

Keil 中可在魔术棒 -> Target -> IRAM1 设置：#0x40000000 size:0x1000。

6.3 STMFD / LDMFD

保护现场：

asm 复制代码

STMDB<c> <Rn>{!}, <registers>

恢复现场：

asm 复制代码

LDMFD<c> <Rn>{!}, <registers>

示例：

asm 复制代码

    B main

func1
    MOV r0, #10
    MOV r1, #20
    CMP r0, r1
    MOVGE r2, r0
    MOVLT r2, r1
    BX lr

func0
    MOV r0, #1
    MOV r1, #2
    ADD r3, r0, r1
    STMFD sp!, {r0-r12, lr}
    BL func1
    LDMFD sp!, {r0-r12, pc}
    ; BX lr

main
    LDR sp, =0x40001000
    MOV r0, #100
    MOV r1, #200
    STMFD sp!, {r0-r12, lr}
    BL func0
    LDMFD sp!, {r0-r12, lr}
    MOV r3, #300

finish
    B finish
    END

GNU 体系中保护现场、恢复现场通常由主调完成。

6.4 汇编调用 C 函数

步骤：

创建 main.c
声明 extern void c_add(void);
导入 IMPORT c_add（Keil 要求）
保护现场，BL 调用，恢复现场
解决编译报错：

asm.axf: Error: L6238E: start.o(reset) contains invalid call from '~PRES8 ...' function to 'REQ8 ...' function c_add.

解决办法：栈对齐伪指令 PRESERVE8，确保函数调用时栈指针保持 8 字节对齐。

创建工程自动添加启动代码报错时：
- 重建覆盖工程
- 删除 .sct 文件
- 添加 start.s、main.c
- 重设软件配置
魔术棒 -> Debug -> Use Simulator -> Run to main（取消）
魔术棒 -> Linker -> Use Memory Layout from Target Dialog（勾选）
魔术棒 -> Target -> ROM1 -> Start：0x0 Size：0x2000
函数传参：

asm 复制代码

    STMFD sp!, {r0-r12, lr}
    MOV r0, #1
    MOV r1, #2
    MOV r2, #3
    MOV r3, #4
    MOV r4, #5
    STMFD sp!, {r4}
    BL c_add
    LDMFD sp!, {r4}
    LDMFD sp!, {r0-r12, lr}

6.5 C 语言调用汇编函数

导出：EXPORT func1
声明：extern int func1(int a, int b);

7. 修改工作模式

CPSR 的 M 域控制工作模式。

MRS：读状态寄存器
asm 复制代码
```
MRS<c> <Rd>, <spec_reg>
```

MSR：写状态寄存器

asm 复制代码

MSR<c> <spec_reg>, #<const>
MSR<c> <spec_reg>, <Rn>

示例：切换到 User 模式

asm 复制代码

    MRS r0, cpsr
    BIC r0, r0, #(0x1FF << 0)
    ORR r0, r0, #(0x10 << 0)
    MSR cpsr, r0

8. 异常向量表

异常向量表通常放在启动代码最前面。

软中断异常：

asm 复制代码

    SWI #7

通过 SWI 指令可以触发软件中断异常，进入对应的异常处理程序。

9. 作业与参考答案

1. 什么是立即数？如何判断某数是否是非法 12 位立即数？

立即数是在指令中直接给出的常量。ARM 数据处理指令支持 12 位立即数，编码为 8 位有效数循环右移偶数位。若一个 32 位数无法通过这种方式得到，就是非法 12 位立即数，需要用 LDR 伪指令加载。

2. B、BL、BX 指令的区别是什么？

B：普通跳转，不保存返回地址。
BL：带链接跳转，保存下一条指令地址到 LR，用于函数调用。
BX：跳转到寄存器地址，并根据寄存器 bit0 切换 ARM/Thumb 状态，常用于函数返回。

3. ARM 内核采用的栈是哪种栈？

ARM 通常采用 满减栈 （Full Descending），即栈顶指针先减后存，STMDB / LDMFD 配合使用。

4. CPSR 中条件标志位分别在什么情况下被置位？

N：结果最高位为 1。
Z：结果为 0。
C：加法进位或减法无借位。
V：有符号运算溢出。

5. ARM 汇编调用 C 语言函数以及 C 语言调用汇编函数，参数和返回值如何处理？

汇编调用 C：前 4 个参数放入 r0-r3，更多参数压栈；返回值通常放在 r0。调用前保护现场，调用后恢复现场，注意 8 字节栈对齐。
C 调用汇编：汇编函数用 EXPORT 导出，C 中用 extern 声明。参数同样通过 r0-r3 传递，返回值放在 r0。

10. 总结

本文整理了 ARM 汇编启动代码相关的核心知识：

启动代码的任务与伪操作
常用数据处理指令：MOV、ADD、SUB、MVN、BIC、ORR
立即数判断
条件标志与 CMP
跳转指令 B、BL、BX
循环结构
函数调用、栈保护、STMFD/LDMFD
汇编与 C 混合编程
修改工作模式与异常向量表

掌握这些内容后，就可以编写一个基本的 ARM 启动代码，并顺利进入 C 语言环境运行。

ARM 汇编学习笔记（二）启动代码、指令、函数调用与 C 混合编程

目录

1. 环境准备

2. 启动代码的主要任务

3. 汇编格式与伪操作

4. 常用 ARM 指令

4.1 MOV 传送指令

4.2 ADD / SUB 加减法指令

4.3 什么是 12 位立即数

4.4 LDR / STR 加载与存储

4.5 MVN / BIC / ORR 位操作

4.6 条件标志 NZCV 与 CMP

4.7 跳转指令 B / BL / BX

5. 循环结构

do...while 的汇编实现

while / for 的汇编实现

6. 函数定义与调用

6.1 PC 与 LR

6.2 栈与保护现场

6.3 STMFD / LDMFD

6.4 汇编调用 C 函数

6.5 C 语言调用汇编函数

7. 修改工作模式

8. 异常向量表

9. 作业与参考答案

1. 什么是立即数？如何判断某数是否是非法 12 位立即数？

2. B、BL、BX 指令的区别是什么？

3. ARM 内核采用的栈是哪种栈？

4. CPSR 中条件标志位分别在什么情况下被置位？

5. ARM 汇编调用 C 语言函数以及 C 语言调用汇编函数，参数和返回值如何处理？

10. 总结