05基于ARM的嵌入式程序设计.ppt

第 5 章,基于 ARM 的嵌入式程序设计,主要内容：,ARM 汇编语言程序设计,C 与汇编语言混合编程,ARM 汇编语言编程示例,一、ARM 汇编语言程序设计,1、两种常用IDE简介2、ADS/SDT下的伪操作3、ARM汇编语言伪指令4、ARM汇编语言的文件和语句5、ARM汇编语言编程的几个问题6、ARM汇编语言编程示例,1、两种常用 IDE 简介,ADS/SDT IDE开发环境：它由ARM公司开发，使用了CodeWarrior公司的编译器；集成了GNU开发工具的IDE开发环境：它由GNU的汇编器as、交叉编译器gcc、和链接器ld等组成。,2、ADS/SDT 下的伪操作,ADS编译环境下的伪操作可分为以下几类：符号定义（Symbol Definition）伪操作 数据定义（Data Definition）伪操作 汇编控制（Assembly Control）伪操作 信息报告（Reporting）伪操作 其他（Miscellaneous）伪操作,符号定义（Symbol Definition）伪操作,数据定义（Data Definition）伪操作,汇编控制（Assembly Control）伪操作,信息报告（Reporting）伪操作,其他（Miscellaneous）伪操作,3、ARM 汇编语言伪指令,4、ARM 汇编语言的文件和语句,ARM汇编语言语句格式如下所示：symbol instruction|directive|pseudo-instruction;comment 其中：instruction为指令 directive为伪操作 pseudo-instruction为伪指令 symbol为符号 comment为语句的注释,ARM汇编语言是以段（section）为单位来组织源文件的。段是相对独立的、具有特定名称的、不可分割的指令或者数据序列。一个ARM源程序至少需要一个代码段，大的程序可以包含多个代码段和数据段。,ARM汇编语言源程序的基本结构举例：,AREA Example，CODE，READONLY ENTRYstartMOV R0，#40MOV R1，#23ADD R0，R0，R1END程序体部分实现了一个简单的加法运算。,5、ARM 汇编语言编程的几个问题,ARM数据处理操作 设置条件码 汇编语言子程序调用及返回 跳转表思想 ARM与Thumb之间的状态转换及函数的互相调用,32位立即数在32位指令中的编码以及ARM特有的寄存器移位操作是数据处理方面的难点,ARM数据处理操作,ARM的任何数据处理指令都能通过增加“S”操作码来设置条件码N、Z、C、V。每条指令都可以条件执行。在程序中可以通过条件码的使用让微处理器决定是否进行转移，还可用来控制循环的退出。,设置条件码,汇编语言子程序调用及返回,在ARM汇编语言中，子程序调用是通过BL指令来完成的。BL subname其中，subname是被调用的子程序的名称。在返回调用子程序时，转移链接指令保存到LR寄存器（R14）中的值需要拷贝回程序寄存器PC（R15）。,跳转表思想,在程序设计中，有时为使程序完成一定的功能，需要调用一系列子程序中的一个，而决定究竟调用哪一个由程序的计算值确定。跳转表是解决该问题的有效方案。跳转表是利用程序计数器PC在通用寄存器文件中的可见性来实现的，如下例所示：,ARM与Thumb之间的状态转换及函数的互相调用,ARM/Thumb之间的函数调用时：在同一状态下的子程序调用、返回，通常都只需要一条指令实现：BL function 和 MOV PC，LR 在不同状态下的子程序调用中，就需要进行状态之间的切换，需要考虑到以下几点：需要由BX来切换状态，因为BL不能完成状态切换。需要在BX之前先保存好LR，BX不能自动保存返回地址到LR。需要 用“BX LR”来返回，不能使用“MOV PC，LR”，返回时要仔细考虑保存在LR中最低位是否正确。,6、ARM 汇编语言编程示例,AREA ARMex，CODE，READONLY ENTRYstart MOV R1,#10 MOV R2,#3 ADD R1,R1,R1stop MOV R0,#0 x18 LDR R1,=0 x20026 SWI 0 x123456；将CPU控制权交给调试器END,示例 1：简单的ARM指令程序,AREA Block，CODE，READONLYNUM EQU 20ENTRYLDR R0,=srcLDR R1,=dstMOV R2,#NUMMOV SP,#0 x400Bcopy MOVS R3,R2,LSR#3BEQ CwordSTMFD SP!,R4-R11 Ocopy LDMIA R0!,R4-R11 STMIA R1!,R4-R11 SUBS R3,R3,#1BNE Ocopy,示例 2：数据块批量复制程序（一次8字，不足则单字复制）,LDMFD SP!,R4-R11 Cword ANDS R2,R2,#7BEQ StopWcopy LDR R3,R0,#4STR R3,R1,#4SUBS R2,R2,#1BNE WcopyStop MOV R0,#0 x18LDR R1,=0 x20026SWI 0 x123456；将CPU控制权交给调试器AREA Bdata，DATA，READWRITEsrc DCD 1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4dst DCD 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0END,二、C 与汇编语言混合编程,1、嵌入式C语言程序设计的几个问题2、C与汇编语言混合编程及示例,1、嵌入式 C 语言程序设计的几个问题,变量定义 参数传递 循环条件,在变量声明的时候，最好把所有相同类型的变量放在一起定义，这样可以优化存储器布局。由下例可以看出：对于局部变量类型的定义，使用short或char来定义变量并不是总能节省存储空间。有时使用32位int或unsinged int局部变量更有效率一些，如下图所示：变量定义中，为了精简程序，程序员总是竭力避免使用冗余变量。但有时使用冗余变量可以减少存储器访问的次数这可以提高系统性能。,变量定义,为了使各自单独编译的C语言程序和汇编程序能够互相调用，定义了统一的函数过程调用标准ATPCS。ATPCS规定寄存器组中的R0R3作为参数传递和结果返回寄存器，如果参数数目超过四个，则使用堆栈进行传递。内部寄存器的访问速度是远远大于存储器的，所以要尽量使参数传递在寄存器里面进行，即应尽量把函数的参数控制在四个以下。,参数传递,循环条件,计数循环是程序中常用的流程控制结构，一般有以下两种形式：for（loop=1；loop=limit；loop+）for（loop=limit；loop!=0；loop-）这两种循环形式在逻辑上并没有差别，但是映射到具体的体系结构中时，就产生了不同，如下图所示：,2、C 与汇编语言混合编程及示例,ATPCS 规则 内嵌汇编 C和ARM汇编程序间相互调用,ATPCS 规则,ATPCS（ARM-Thumb Produce Call Standard）是ARM程序和Thumb程序中子程序调用的基本规则，目的是为了使单独编译的C语言程序和汇编程序之间能够相互调用。这些基本规则包括子程序调用过程中寄存器的使用规则、数据栈的使用规则和参数的传递规则。,寄存器的使用规则,根据堆栈指针指向位置的不同 和增长方向的不同可以分为以下4种数据栈：FD（Full Descending）满递减 ED（Empty Descending）空递减 FA（Full Ascending）满递增EA（Empty Ascending）空递增ATPCS规定数据栈为FD（满递减）类型，并且对数据栈的操作是8字节对齐的。,数据栈的使用规则,参数个数固定的子程序参数传递规则：第一个整数参数，通过寄存器R0R3来传递。其他参数通过数据栈传递。参数个数可变的子程序参数传递规则：当参数不超过4个时，可以使用寄存器R0R3来传递参数；当参数超过4个时，还可以使用数据栈来传递参数 子程序结果返回规则 结果为一个32位整数时，可以通过寄存器R0返回；结果为一个64位整数时，可以通过寄存器R0和R1返回，依次类推。,参数的传递规则,在C程序中嵌入汇编程序可以实现一些高级语言没有的功能，并可以提高执行效率。armcc和armcpp内嵌汇编器支持完整的ARM指令集；tcc和tcpp用于Thumb指令集。所以，同一个C程序中不能同时包含ARM指令和Thumb指令。内嵌的汇编指令包括大部分的ARM指令和Thumb指令，但是不能直接引用C的变量定义，数据交换必须通过ATPCS进行。嵌入式汇编在形式上表现为独立定义的函数体。,内嵌汇编,内嵌汇编示例：,#include void astrcpy(char*p1,char*p2)char tempch;_asm loop:LDRB tempch,p1,#1STRB tempch,p2,#1CMP tempch,#0BNE loop,void main()定义并初始化str1、str2，定义字符串tempstr_asmMOV R0,str1MOV R1,str2MOV R2,tempstrBL astrcpy,(R0,R2)BL astrcpy,(R1,R0)BL astrcpy,(R2,R1),C和ARM汇编程序间相互调用,遵守ATPCS的前提下，注意export和extern的配合使用,示例：C程序调用汇编程序,#include extern void strcpy(char*,char*)void main()char*src=“source”;char*dst=“destination”;strcpy(dst,src);printf(“%sn%sn”,src,dst);,area Scopy,code,readonlyexport strcpystrcpyLDRB R2,R1,#1STRB R2,R0,#1CMP R2,#0BNE strcpyMOV PC,LRend,示例：汇编程序调用C程序,int g(int a,int b,int c,int d,int e)return a+b+c+d+e;C程序用于计算五个数之和汇编程序则把四个放入R0R3，最后一个放在数据栈内；编译器判断出需要几个参数，自动取得。,area f,code,readonlyextern gSTR LR,SP,#-4!ADD R1,R0,R0ADD R2,R1,R0ADD R3,R1,R2STR R3,SP,#-4!ADD R3,R1,R1BL gADD SP,SP,#4LDR PC,SP,#4end,1、求两个向量的点积2、SWI 软件中断3、IRQ 中断4、异常中断向量表的搬运,三、ARM 汇编语言编程示例,例程 1：求两个向量的点积,#include#define low32(a)(unsigned*),_int64 dotprod(int*a,int*b,unsigned n)_int64 sum=0;do sum+=mlal(sum,*a+,*b+);while(-n!=0)return sum;_int64 mlal(_int64 sum,int a,int b)_asm SMLAL low32(sum),high32(sum),a,b return sum;,例程 2：SWI 软件中断,执行SWI指令时系统自动完成以下工作：R14_SVC=SWI指令的下面一条指令的地址SPSR_SVC=CPSRCPSR4:0=0b10011CPSR5=0CPSR7=1;禁止响应 IRQ 中断PC=0 x00000008,SWI中断处理程序（与系统相关的ARM指令代码）SWISTART:STMFD SP!,R0-R3,R12,LR MRS R0,SPSRTST R0,#0 x20,LDRNEH R0,LR,#-2;读SWI立即数BICNE R0,R0,#0 xFF00LDREQ R0,LR,#-4BICEQ R0,R0,#0 xFF000000CMP R0,#MaxSWI;判断是否越界LDRLS PC,PC,R0,LSL#2B SWI_OutofRange;占4 个字节SWITable:DCD DOSWI_0DCD DOSWI_1 DOSWI_0:LDMFD SP!,R0-R3,R12,PCDOSWI_1:LDMFD SP!,R0-R3,R12,PC,例程 3：IRQ 中断,响应IRQ中断请求时系统自动完成以下工作：R14_IRQ=当前PC+8SPSR_IRQ=CPSRCPSR4:0=0b10010CPSR5=0CPSR7=1;禁止响应其他 IRQ 中断PC=0 x00000018,IRQ中断处理程序（与系统相关的ARM指令代码）SUB R14,R14,#4;前面加 8，此处减 4 STMFD R13!,R12,R14 MRS R12,SPSR;允许IRQ中断嵌套STMFD R13!,R12 MOV R12,#IntBase;中断源提供功能号LDR R12,R12,#IntLevel,MRS R14,CPSR;允许响应IRQ中断BIC R14,R14,#0 x80MSR CPSR_C,R14LDR PC,PC,R12,LSL#2NOP;用于占4 字节而已DCD INT0DCD INT1INT0:STMFD R13!,R0-R11 MRS R12,CPSRORR R12,R12,#0 x80MSR CPSR_C,R12;禁止响应IRQ中断LDMFD R13!,R0-R12 MSR SPSR_CXSF,R12LDMFD R13!,R12,PC;逆序恢复现场INT1:STMFD R13!,R0-R11,例程 4：异常中断向量表的搬运,当操作系统配置为地址 0 x0 处为RAM，而不是ROM时，在引导操作系统前应从ROM中搬运（复制）异常中断向量表到RAM，以保证各异常的正常响应。假定，保存在ROM中的异常中断向量表和异常中断向量处理程序入口地址为：,Export Int_Vectors；异常中断向量表Int_Vectors:LDR PC,Int_TableLDR PC,（Int_Table+4）LDR PC,（Int_Table+8）LDR PC,（Int_Table+12）LDR PC,（Int_Table+16）LDR PC,（Int_Table+20）LDR PC,（Int_Table+24）LDR PC,（Int_Table+28）,Export Int_Table；异常中断处理程序的入口点函数Int_Table:Int_Initialize_Addr DCDInt_InitializeUndef_Instr_Addr DCDUndef_Instr_ISRSWI_Addr DCDSWI_ISRPrefetch_Abort_AddrDCDPrefetch_Abort_ISRData_Abort_Addr DCDData_Abort_ISRUndef_AddrDCD0；暂时无定义IRQ_Handler_Addr DCDInt_IRQ_ParseFIQ_Handler_Addr DCDInt_FIQ_Parse,通常，这二者需要放在最低地址（对小端存储模式而言）也即物理地址 0 x0 处。,定义部分空间，在设置新的异常中断向量时，用于保存原来的异常中断向量：OLD_Undef_Vect DCD0 x00000000OLD_Undef_AddrDCD0 x00000000OLD_SWI_VectDCD0 x00000000OLD_SWI_Addr DCD0 x00000000OLD_IRQ_VectDCD0 x00000000OLD_IRQ_Addr DCD0 x00000000OLD_FIQ_Vect DCD0 x00000000OLD_FIQ_Addr DCD0 x00000000,；Undef；SWI；IRQ；FIQ,下面的子程序用于设置异常中断向量表：分三个部分,Export Int_Install_Vector_TableInt_Install_Vector_Table:STMDB SP!,A1-A4,LR；保存工作寄存器以及返回地址；首先保存原异常中断向量表，以备后用MOV A3,#0 x04；Undef 异常中断向量LDR A1,A3,#0 LDR A2,=OLD_Undef_VectSTR A1,A2,#0 MOV A3,#0 x24LDR A1,A3,#0 LDR A2,=OLD_Undef_AddrSTR A1,A2,#0,MOV A3,#0 x08；SWI 异常中断向量LDR A1,A3,#0 LDR A2,=OLD_SWI_VectSTR A1,A2,#0 MOV A3,#0 x28LDR A1,A3,#0 LDR A2,=OLD_SWI_AddrSTR A1,A2,#0 MOV A3,#0 x18；IRQ 异常中断向量LDR A1,A3,#0 LDR A2,=OLD_IRQ_VectSTR A1,A2,#0 MOV A3,#0 x38LDR A1,A3,#0 LDR A2,=OLD_IRQ_AddrSTR A1,A2,#0,MOV A3,#0 x1C；FIQ 异常中断向量LDR A1,A3,#0 LDR A2,=OLD_FIQ_VectSTR A1,A2,#0 MOV A3,#0 x3CLDR A1,A3,#0 LDR A2,=OLD_FIQ_AddrSTR A1,A2,#0；然后将异常中断向量表以及处理程序入口地址从ROM复制到RAM中地址 0 x0 开始的区域MOV V5,#0；设定初始地址ADR V6,Int_VectorsLDMIA V6!,A1-V4；异常中断向量表STMIA V5!,A1-V4 LDMIA V6!,A1-V4；处理程序入口地址STMIA V5!,A1-V4,；最后，若需要回复某些异常中断向量如SWI原来的值，则可以：IF NU_Printf_SupportMOV R0,#0 x08LDR R1,OLD_SWI_VectSTR R1,R0,#0 MOV R0,#0 x28LDR R1,OLD_SWI_AddrSTR R1,R0,#0 ENDIFLDMIA SP!,A1-A4,LR MOV PC,LR；恢复工作寄存器并返回,至此，子程序 Int_Install_Vector_Table 结束,