Linux入门第二部分（ARM裸机篇）第二章 Cortex-A7 MPCore架构与ARM汇编基础

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一、Cortex-A7 MPCore架构简介

1、Cortex-A7 MPCore简介

（1）Cortex-A7 MPCore支持在一个处理器上选配1~4个内核。

（2）Cortex-A7 MPCore多核配置如下图所示。

2、Cortex-A处理器运行模型

（1）Cortex-A7处理器有9种处理模式，如下表所示。这几个运行模式可以通过软件进行任意切换，也可以通过中断或者异常来进行切换。

|-----------------|-----------------------------|
| 模式 | 描述 |
| User（USR） | 用户模式，非特权模式，大部分程序运行的时候就处于此模式 |
| FIQ | 快速中断模式 |
| IRQ | 一般中断模式 |
| Supervisor（SVC） | 超级管理员模式 |
| Monitor（MON） | 监视模式 |
| Abort（ABT） | 数据访问终止模式 |
| Hyp（HYP） | 超级监视模式 |
| Undef（UND） | 未定义指令终止模式 |
| System（SYS） | 系统模式 |

（2）除了User（USR）用户模式以外，其它8种运行模式都是特权模式。大多数的程序都运行在用户模式，用户模式下是不能访问系统所有资源的，有些资源是受限的，要想访问这些受限的资源就必须进行模式切换。但是用户模式是不能直接进行切换的，用户模式下需要借助异常来完成模式切换，当要切换模式的时候，应用程序可以产生异常，在异常的处理过程中完成处理器模式切换。

（3）当中断或者异常发生以后，处理器就会进入到相应的异常模式种，每一种模式都有一组寄存器供异常处理程序使用，这样的目的是为了保证在进入异常模式以后，用户模式下的寄存器不会被破坏。

3、Cortex-A7寄存器组简介

（1）需要说明的是，本小节介绍Cortex-A 的内核寄存器组，并非芯片的外设寄存器。

（2）ARM架构提供了16个32位的通用寄存器（R0~R15）供软件使用，前15个（R0~R14）可以用作通用的数据存储，R15是程序计数器PC，用来保存将要执行的指令。ARM 还提供了一个当前程序状态寄存器CPSR和一个备份程序状态寄存器SPSR，SPSR寄存器就是CPSR寄存器的备份。

（3）Cortex-A7处理器有9种运行模式，每一种运行模式都有一组与之对应的寄存器组。每一种模式可见的寄存器包括15个通用寄存器（R0~R14）、一个或两个程序状态寄存器和一个程序计数器PC。在这些寄存器中，有些是所有模式所共用的同一个物理寄存器，有一些是各模式自己所独立拥有的，各个模式所拥有的寄存器如下图所示，浅色字体的是与User模式所共有的寄存器，蓝绿色背景的是各个模式所独有的寄存器。

（4）程序状态寄存器定义：

①所有的处理器模式都共用一个CPSR物理寄存器，因此CPSR可以在任何模式下被访问。

②CPSR是当前程序状态寄存器，该寄存器包含了条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志等一些状态位以及一些控制位。

③所有的处理器模式都共用一个CPSR必然会导致冲突，为此，除了User和Sys这两个模式以外，其它7个模式每个都配备了一个专用的物理状态寄存器，叫做SPSR（备份程序状态寄存器），当特定的异常中断发生时，SPSR寄存器用来保存当前程序状态寄存器（CPSR）的值，当异常退出以后可以用SPSR中保存的值来恢复CPSR。

④因为User和Sys这两个模式不是异常模式，所以并没有配备SPSR，因此不能在User和Sys模式下访问SPSR，会导致不可预知的结果。

⑤由于SPSR是CPSR的备份，因此SPSR和CPSR的寄存器结构相同，如下图所示。

|---------------------|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 位段 | 定义 |
| N（bit31） | 当两个补码表示的有符号整数运算的时候，N=1表示运算对的结果为负数，N=0表示结果为正数 |
| Z（bit30） | Z=1表示运算结果为零，Z=0表示运算结果不为零，对于CMP指令，Z=1表示进行比较的两个数大小相等 |
| C（bit29） | 在加法指令中，当结果产生了进位，则C=1，表示无符号数运算发生上溢，其它情况下C=0；在减法指令中，当运算中发生借位，则C=0，表示无符号数运算发生下溢，其它情况下 C=1；对于包含移位操作的非加/减法运算指令，C中包含最后一次溢出的位的数值，对于其它非加/减运算指令，C位的值通常不受影响 |
| V（bit28） | 对于加/减法运算指令，当操作数和运算结果表示为二进制的补码表示的带符号数时，V=1表示符号位溢出，通常其它位不影响V位 |
| Q（bit27） | 仅ARM v5TE_J架构支持，表示饱和状态，Q=1表示累积饱和，Q=0表示累积不饱和 |
| IT $1:0$ （bit26:25） | 和IT $7:2$ （bit15:10）一起组成IT $7:0$ ，作为IF-THEN指令执行状态 |
| J（bit24） | 仅ARM_v5TE-J架构支持，J=1 表示处于Jazelle状态，此位通常和T（bit5）位一起表示当前所使用的指令集 |
| GE $3:0$ （bit19:16） | SIMD 指令有效，大于或等于 |
| IT $7:2$ （bit15:10） | 和IT $1:0$ （bit26:25）一起组成IT $7:0$ ，作为IF-THEN指令执行状态 |
| E（bit9） | 大小端控制位，E=1表示大端模式，E=0表示小端模式 |
| A（bit8） | 禁止异步中断位，A=1表示禁止异步中断 |
| I（bit7） | I=1禁止IRQ，I=0使能IRQ |
| F（bit6） | F=1禁止FRQ，F=0使能FRQ |
| T（bit5） | 控制指令执行状态，表明本指令是ARM指令还是Thumb指令，通常和J（bit24）一起表明指令类型 |
| M $4:0$ （bit4:0） | 处理器模式控制位 |

（5）Cortex-A7寄存器组有很深的学问，此处仅做了简单介绍，如果想要深入了解，可以参考官方文档。

二、ARM汇编基础

1、了解Cortex-A汇编的目的

（1）Cortex-A芯片上电后，一开始还不能跑C语言程序，早期的底层硬件初始化（比如关闭看门狗、设置时钟、设置总线），必须由汇编指令完成。

（2）大部分Cortex-A芯片（比如全志、瑞芯微）DDR需要程序员写汇编初始化，不过I.MX6ULL自带Boot ROM，上电自动完成DDR初始化，所以在裸机开发时不需要再自行写汇编初始化DDR。

（3）C语言运行必须要有栈（stack），栈由SP（栈指针）指定，使用汇编指令可以设置SP，把栈放到DDR内存里，只有SP配置完成，栈环境就绪，后面才能跳转到C语言函数里执行C代码。

（4）Cortex-A芯片上电流程：上电 → BootROM运行 → 加载裸机程序（汇编启动文件） → 汇编初始化、设置SP → 跳转到C语言main函数。

2、GNU汇编语法

（1）GNU汇编语法适用于所有的架构，并不是ARM独享的，GNU汇编由一系列的语句组成，每行一条语句，每条语句有三个可选部分：

label: instruction @ comment

①label即标号，表示地址位置，有些指令前面可能会有标号，这样就可以通过这个标号得到指令的地址，标号也可以用来表示数据地址。注意label后面的":"，任何以":"结尾的标识符都会被识别为一个标号。

②instruction即指令，也就是汇编指令或伪指令。

③"@"符号后面的内容是注释，作用仅限于本行，comment就是注释内容。

（2）ARM中的指令、伪指令、伪操作、寄存器名等可以全部使用大写，也可以全部使用小写，但是不能大小写混用。

（3）GNU汇编语法中的伪操作：

①用户可以使用".section"伪操作来定义一个段，具体如下：

.section .testsection @定义一个 testsetcion 段

②汇编系统预定义了一些段名，".text"表示代码段，".data"表示初始化的数据段，".bss"表示未初始化的数据段，".rodata"表示只读数据段。

③汇编程序的默认入口标号是"_start"，不过也可以在链接脚本中使用ENTRY来指明其它的入口点，下面的代码就是使用"_start"作为入口标号，其中".global"是伪操作，表示"_start"是一个全局标号，类似C语言里面的全局变量一样。

cpp 复制代码

.global _start 

_start:
    ldr r0, =0x12 @r0=0x12

④常见的伪操作如下表所示，GNU汇编还有其它的伪操作，具体可以参考官方文档。

|---------|----------------------------------------------------------|
| 伪操作 | 描述 |
| .byte | 定义单字节数据，比如".byte 0x11" |
| .short | 定义双字节数据，比如".short 0x4151" |
| .long | 定义四字节数据，比如".long 0x11451400" |
| .equ | 赋值语句，格式为".equ <变量名>, <表达式>"，比如".equ num, 0x11451400" |
| .align | 数据字节对齐声明，格式为".align <对齐数>" |
| .end | 表示源文件结束 |
| .global | 定义一个全局符号，格式为".global <symbol>" |

（4）GNU汇编语法中的函数：

①GNU汇编同样也支持函数，格式如下：

<函数名>:

<函数体>

<返回语句> # 可有可无，"bx"是返回指令

②用汇编写的Cortex-A7中断服务函数：

cpp 复制代码

/* 未定义中断 */
Undefined_Handler:
	ldr r0, =Undefined_Handler
	bx r0

/* SVC中断 */
SVC_Handler:
	ldr r0, =SVC_Handler
	bx r0

/* 预取终止中断 */
PrefAbort_Handler:
	ldr r0, =PrefAbort_Handler
	bx r0

3、Cortex-A常用汇编指令

（1）处理器内部数据传输指令：

①MOV指令用于将数据从一个寄存器拷贝到另外一个寄存器，或者将一个立即数传递到寄存器里面，使用示例如下：

cpp 复制代码

MOV R0，R1 		    @将寄存器R1中的数据传递给R0，即R0=R1
MOV R0, #0X12 		@将立即数0X12传递给R0寄存器，即R0=0X12

②MRS指令用于将特殊寄存器（如CPSR和SPSR）中的数据传递给通用寄存器，要读取特殊寄存器的数据只能使用MRS指令，使用示例如下：

cpp 复制代码

MRS R0, CPSR 	@将特殊寄存器CPSR里面的数据传递给R0，即R0=CPSR

③MSR指令和MRS刚好相反，MSR指令用于将普通寄存器的数据传递给特殊寄存器，也就是写特殊寄存器，写特殊寄存器只能使用MSR指令，使用示例如下：

cpp 复制代码

MSR CPSR, R0 	@将 R0 中的数据复制到CPSR中，即CPSR=R0

（2）存储器访问指令：

①LDR主要用于从存储加载数据到寄存器Rx中，LDR也可以将一个立即数加载到寄存器Rx中，不过加载立即数的时候要使用"="，而不是"#"，使用示例如下：

cpp 复制代码

LDR R0, =0X0209C004	 @将寄存器地址0X0209C004加载到R0中，即R0=0X0209C004
LDR R1, [R0] 		 @读取地址0X0209C004中的数据到R1寄存器中

②STR主要用于将数据写入到存储器中，使用示例如下：

cpp 复制代码

LDR R0, =0X0209C004	    @将寄存器地址0X0209C004加载到R0中，即R0=0X0209C004
LDR R1, =0X20000002	    @R1保存要写入到寄存器的值，即R1=0X20000002
STR R1, [R0] 			@将R1中的值写入到R0中所保存的地址中

③LDR和STR都是按照字进行读取和写入的，也就是操作的32位数据，如果要按照字节、半字进行操作，可以在指令后面加上"B"或"H"，比如按字节操作的指令就是"LDRB"和"STRB"，按半字操作的指令就是"LDRH"和"STRH"。

（3）压栈和出栈指令：

①PUSH指令用于将寄存器列表压入栈中，比如要将R0~R3和R12这5个寄存器压栈，当前的SP指针指向0X80000000，处理器的堆栈是向下增长的，使用的汇编代码如下：

cpp 复制代码

PUSH {R0~R3, R12} 	@将R0~R3和R12压栈

②基于上一步，此时的SP指向0X7FFFFFEC，现在再将LR进行压栈，汇编代码如下：

cpp 复制代码

PUSH {LR} 	@将LR压栈

③POP指令用于栈中的内容弹出到寄存器中，基于上一步，现在再将栈中内容弹出，汇编代码如下：

cpp 复制代码

POP {LR} 			@先恢复LR
POP {R0~R3,R12} 	@再恢复R0~R3,R12

④PUSH和POP的另外一种写法是"STMFD SP！"和"LDMFD SP!"。

（4）跳转指令：

①B指令会将PC寄存器的值设置为跳转目标地址，一旦执行B指令，ARM处理器就会立即跳转到指定的目标地址（如果跳转范围超过±2KB，可以指定"B.W <label>"使用32位版本的指令跳转）。如果要调用的函数不会再返回到原来的执行处，那就可以用B指令，如下示例：

cpp 复制代码

_start:

	ldr sp,=0X80200000 	@设置栈指针
	b main 				@跳转到main函数

②BL指令相比B指令，在跳转之前会在寄存器LR（R14）中保存当前PC寄存器值，所以可以通过将LR寄存器中的值重新加载到PC中，以继续从跳转之前的代码处运行，这是子程序调用一个基本但常用的手段。

cpp 复制代码

push {r0, r1} 			    @保存r0,r1
cps #0x13 			        @进入SVC模式，允许其它中断再次进去

bl system_irqhandler 	    @加载C语言中断处理函数到r2寄存器中

cps #0x12 			        @进入IRQ模式
pop {r0, r1} 
str r0, [r1, #0X10] 		@中断执行完成，写EOIR

③BX指令类似于B指令，不过它是间接跳转，格式为"BX <Rm>"，跳转到存放于Rm中的地址处，并且切换指令集。

④BLX指令结合BX和BL指令的特点，格式为"BLX <Rm>"，跳转到存放于Rm中的地址处，并且并将返回地址保存在LR中，切换指令集。

（5）算数运算指令：

（6）逻辑运算指令：

Linux入门第二部分（ARM裸机篇） 第二章 Cortex-A7 MPCore架构与ARM汇编基础

一、Cortex-A7 MPCore架构简介

1、Cortex-A7 MPCore简介

2、Cortex-A处理器运行模型

3、Cortex-A7寄存器组简介

二、ARM汇编基础

1、了解Cortex-A汇编的目的

2、GNU汇编语法

3、Cortex-A常用汇编指令

Linux入门第二部分（ARM裸机篇）第二章 Cortex-A7 MPCore架构与ARM汇编基础