嵌入式：ARM汇编语言程序设计基础教程

Posted 2022-12-31

汇编语言程序设计的步骤

① 合理地分配存储器资源，将前述的目标系统‘数据结构模型’表示到各存储器单元。

② CPU寄存器数量有限，在程序中，大多数操作都要使用寄存器；并且有的操作使用特定的寄存器（如堆栈操作使用SP/R13等），程序中要合理分配各寄存器的用途。

用计算机语言，对数据结构模型和流程图表示的算法进行准确地描述。

① 语法调试：排除程序中的语法错误。

② 功能调试：保证程序的逻辑功能正确性。

用文档形式记录说明程序的功能、使用方法、程序结构、算法流程等每一个阶段的工作。 把解题的方法、步骤用框图形式表示。如果问题比较复杂，那么可以逐步细化，直到每一框图可以容易编程为止。流程图不仅便于程序的编制，且对程序逻辑正确性也比较容易查找和修改。

顺序程序设计

顺序程序是一种最简单的程序结构，也称为直线程序，它的执行自始自终按照语句的先后顺序进行。这种结构的流程图，除了有一个起始框，一个终止框外，就是若干执行框。

例：试编制一程序，完成10+3的操作。

AREA  ARMex, CODE, READONLY ; 代码段名ARMex
ENTRY         ; 程序的入口
CODE 32

start
  MOV R0, #10   ; 将立即数10存入寄存器R0
  MOV R1, #3    ; 将立即数3存入寄存器R1
  ADD R0, R0, R1  ; R0 = R0 + R1
stop
  MOV R0, #0x18   ; 这三条指令是ADS调试环境特约
  LDR R1, =0x20026  ;程序运行结束返回编译器调试环境
  SWI   0x123456

END       ; 结束

分支程序设计

许多实际问题需要根据不同的情况作出不同的处理。在程序中，针对不同的情况把不同的处理方法编制成各自的处理程序段，运行时由机器根据当时的条件自动作出判断，选择执行相应的处理程序段。这样的程序结构中，计算机不再完全按指令存储的顺序执行，称之为分支。分支程序使用转移指令B、子程序调用指令BL或带状态转移指令BX来实现。

例：给定以下符号函数：

任意给定值，假定为-25，存放在x单元，函数值存放在y单元；要求根据x中的值来确定y的值。

AREA symbol, CODE, READONLY ; 代码段的名字 symbol

 ENTRY           ; 程序的入口

 CODE32

start

 LDR   R0, =x ; 加载数据段中的变量x地址，存入R0

 LDR   R1, =y ; 加载数据段中的变量y地址，存入R1

 LDR R2, [R0] ; 加载变量x的值，存入R2

compare

 CMP R2, #0 ; 将R2的值与0作比较

 BEQ ZERO ; 如果R2等于0，那么转向标号ZERO处

 BGT PLUS ; 如果R2大于0，那么转向标号PLUS处

 MOV R3, #-1 ; 否则，R2小于0，将-1存入R3中

 B stop

ZERO

 MOV R3, #0 ; R2等于0，将0存入R3中

 B stop

PLUS

 MOV R3, #1 ; R2大于0，将1存入R3中

; 续上段代码

stop 

  STR R3,  [R1]

 MOV R0,  #0x18 

 LDR R1, =0x20026

 SWI 0x123456

      AREA Data, DATA, READWRITE

x DCD -25

y DCD 0

   END

循环程序设计

顺序程序和分支程序中的指令每次运行最多只执行一次。在实际应用中重复地做某些事的情况很多，这也是计算机最擅长的工作方式。重复地执行某些指令，最好用循环程序来实现。
循环程序的结构---重复地执行同一种运算，直到某种条件满足。

建立循环初始值。如设置地址指针、计数器、其他循环参数的起始值等。循环程序的主体业务代码，可以是一个顺序程序、分支程序或另一个循环程序。 为执行下一个循环而修改某些参数，尤其循环控制变量的修改等。

条件控制循环：通过判断循环终止条件是否已成立，控制循环。判断循环结束条件是否成立，决定是否继续循环。

例如：计数控制循环；通过计数循环次数，判断是否已达到预定次数，控制循环。对循环结束进行适当处理；有的循环程序可以没有这部分。

用计数控制循环适用于已知循环次数的循环程序设计

例：从x单元开始的30个连续字单元中存放有30个无符号数，从中找出最大者送入y单元中。

分析：

根据题意，把第一个数先送入Rx寄存器，将Rx中的数与后面的29个数逐个进行比较，如果Rx中的数较小，则将该较大的数送入Rx ；继续与余下的数据逐个比较。在比较过程中， Rx中始终保持较大的数，共计比较29次，则最终Rx中保留了最大数，最后把Rx中的数（最大者）送入y单元。

AREA  max, CODE, READONLY   ; 代码段的名字 max
  ENTRY                         ; 程序的入口
  CODE32
num EQU 29                   ; 比较的次数
start
  LDR R0,  =x           ; R0指向源数据块x
  LDR R1,  =y           ; R1指向单元y
  LDR R2,  =num      ; R2作为计数器
  LDR R3,  [R0]        ; 将源数据块x中第一个数加载到R3中
compare
  ADD R0, R0, #4       ; 每进行一次比较，将R0指针地址加4
  LDR R4, [R0]          ; 依次将源数据块x中下一个数加载到R4中
  CMP R3, R4             ; 比较R3和R4中数的大小 
  MOVCC  R3,  R4          ; 如果R3小于R4，则将较大的数送入R3中
  SUBS  R2,  R2,  #1       ; 计数器值减1
  BNE compare           ; 如果不为0，那么继续跳到compare执行
  STREQ R3,  [R1]          ; 如果为0，那么循环比较结束，R3是最大的数
             ; 并且将R3中的数加载到R1指向的单元（即y）中 


stop
  MOV r0, #0x18
  LDR r1, =0x20026    
  SWI 0x123456        

  AREA  Data, DATA, READWRITE
x DCD 73,59,61,34,81,107,225,231,54,43
  DCD 100,35,1,42,222,254,34,71,100,31
  DCD 33,119,13,44,18,147,55,244,97,3
y DCD 0
  END

② 适用于已知循环条件的循环程序设计

适用于无法确定循环次数，但知道循环结束的条件

例：从自然数1开始累加，直到累加和大于1000为止，统计被累加的自然数的个数，并把统计的个数送入n单元，把累加和送入sum单元。

分析：

根据题意，被累加的自然数的个数事先未知，因此不能用计数方法控制循环。但题目中给定一个条件，即累加和大于1000则停止累加，因此，可以根据这一条件控制循环。我们用R3寄存器放累加和，用R4寄存器放每次取得的自然数，其中它的值也是统计自然数的个数。

AREA  SUM, CODE, READONLY ; 代码段的名字 SUM
     ENTRY                        ; 程序的入口
     CODE32
start
     LDR   R0,   =n            ; 将数据段中自然数的个数n的地址加载到R0寄存器
     LDR   R1,   =sum       ; 将数据段中自然数的累加和sum的地址加载到R1寄存器
     LDR   R3,   =0            ; R3存放自然数的累加和
     LDR   R4,   =0            ; R4用于循环个数的统计/每次取得的自然数
     LDR   R5,   =1000      ; R5用于循环结束的界限值
continue
     ADD  R4,   R4,     #1    ; 取下一个自然数
     ADD  R3,   R3,    R4    ; 累加自然数
     CMP  R3,   R5             ; 比较累加和是否超过了1000
     BCC  continue            ; 如果小于1000，那么跳到compare执行
     STRCS   R3,  [R1]     ; 如果大于1000，那么将累加和存储到R1所指向的单元中
     STRCS   R4,   [R0]    ; 如果大于1000，那么将已累加的自然数个数值存储
                ; 到R0所指向的单元中 


stop
        MOV    r0, #0x18
        LDR     r1, =0x20026      
        SWI     0x123456 
        
        AREA  Data, DATA, READWRITE
n DCD 0     ; 定义累加的自然数的个数
sum DCD 0      ; 定义自然数的累加和

        END

子程序设计

子程序概念

如果在一个程序中的多处用到同一段程序代码，那么可以把这段共同的程序代码抽取出来，写成一个相对独立的程序段，每当需要执行这段代码时，就调用这个程序段，执行完这个程序段后，再返回原来调用它的程序。这样编写程序时，就不必重复写这段代码了，而这样的程序段称为子程序或子过程。

子程序的调用与返回

主程序中使用BL指令实现子程序的调用

BL 子程序名

在子程序结束处，使用如下指令返回到主程序中。

MOV PC, LR

主程序与子程序之间的参数传递

主程序调用子程序时，可以向子程序传递一些参数；同样，子程序运行后也可把一些结果参数传回给主程序。主程序与子程序之间的这种信息传递称为参数传递。

三种参数传递方式

1. 寄存器传递参数方式
2. 存储区域传递参数方式
3. 堆栈传递参数方式

寄存器传递参数方式

例：用子程序实现内存区里的字符串拷贝功能，即将存储单元中源字符串对应拷贝到目的字符串中。

技术思想：主程序将待传递的数据直接写入约定的通用寄存器，在子程序中直接使用；或子程序返回后，主程序直接从约定的通用寄存器中获得子程序的结果数据。

应用特点：这种方式适合于传递较少参数的应用场合。

解题思路：

通过设定两个地址指针，分别指向存储区中的源字符串和目的字符串；然后通过加载和存储指令（LDR和STR）的寄存器间接寻址方式，依次从源字符串读取一个字符数据，写入到目的字符串的对应字符位置中，直到遇到源字符串的结束标志’\\0’为止。

AREA    StrCopy, CODE, READONLY
        ENTRY
        CODE32
start
        LDR       R1,    =srcstr        ; R1指向数据区的源字符串
        LDR       R0,    =dststr        ; R0指向数据区的目的字符串
        BL          strcopy                 ; 调用子程序strcopy，完成字符串拷贝
stop
        MOV     R0,     #0x18          ; 程序结束返回编译器调试环境
        LDR      R1,     =0x20026
        SWI        0x123456
strcopy 
        LDRB     R2,     [R1],    #1    ; 将R1指向的单元内容加载到R2中
        STRB      R2,     [R0],    #1    ; 将R2中的数存储到R0指向的单元中
        CMP       R2,    #0                 ; 检查R0的值是否等于0
        BNE        strcopy                  ; 如果不等于0，那么转到strcopy处执行 
        MOV       PC,    LR               ; 子程序返回 


        AREA    Strings, DATA, READWRITE
srcstr  DCB "First string - source",0   ; 源字符串
dststr  DCB "Second string - destination",0 ; 目的字符串
        END

存储区域传递参数方式

例：通过设置的入口参数查找函数地址表，实现选择不同的函数功能。

说明：本题中通过事先将函数地址存放在存储单元中，通过查找地址表的方法，实现根据“选择项（choice）”进入不同的函数体功能。

技术思想：主程序和子程序约定了某一共享内存块用于参数传递，主程序在BL调用子程序前，先将要传递的参数写入到约定的存储单元，子程序可从约定的内存读取这些参数；子程序返回时，也可以使用该方式将数据传给主程序。

应用特点：这种方式可以传递大批量数据。

实现方法：当主程序与子程序有较多的数据需要传递时，可以通过共享内存区或传内存数据块地址方式来传递批量数据。

通过伪指令ADR直接装载近距离数据块地址；

通过伪指令ADRL直接装载中距离数据块地址；

通过语句LDR Rd, =Label转载远距离的数据块地址；

AREA    Jump, CODE, READONLY
       num     EQU     4      ; 函数地址表内容的个数
       ENTRY
       CODE32
start
     LDR   R0,   =choice    ; R0指向存储区的choice单元
       LDR   R0,   [R0]   ; 设置第一个参数：选择执行哪一个函数
       MOV  R1,   #16   ; 设置第1个操作数
       MOV  R2,   #2    ; 设置第2个操作数
       BL       arithfunc   ; 调用子程序arithfunc
stop
       MOV   R0,   #0x18    ; 程序结束返回编译器调试环境
       LDR    R1,   =0x20026
       SWI       0x123456
arithfunc
       CMP   R0,    #num                     ; 比较R0的值是否超过函数地址表的个数
       MOVHS   PC, LR     ; 如果大于，那么就返回到标号stop处
       ADR   R3,    JumpTable ; 将函数地址表的地址作为基地址
       LDR    PC,   [R3, R0, LSL #2]  ; 根据R0参数进入对应的子程序


JumpTable ; 函数地址表的入口基地址
        DCD       DoAdd   ; 加法子程序
        DCD DoSub   ; 减法子程序
        DCD DoMul   ; 乘法子程序
        DCD DoDiv   ; 除法子程序
DoAdd
        ADD   R0,   R1,    R2               ; R0 = R1 + R2
        MOV   PC,   LR    ; 返回
DoSub
        SUB    R0,  R1,    R2       ; R0 = R1 - R2
        MOV   PC, LR    ; 返回
DoMul 
        MOV   R0,   R1,  LSL R2   ; R0 = R1 << R2
        MOV   PC,   LR    ; 返回
DoDiv 
        MOV   R0,   R1,  LSR R2       ; R0 = R1 >> R2
        MOV   PC,   LR    ; 返回    
    AREA  NUM, DATA, READWRITE
choice  DCD 3           ; 0：表示选择加法子程序   1：表示选择减法子程序
                 ; 2：表示选择乘法子程序   3：表示选择除法子程序
        END

堆栈传递参数方式

主程序和子程序使用同一个堆栈，主程序在BL调用子程序前，先将要传递的参数压入到堆栈中，子程序可从堆栈中读取传过来的数据；子程序返回需要向主程序传递参数时，也可使用此方法。

参考文献：

孟祥莲．嵌入式系统原理及应用教程（第2版）[M]．北京：清华大学出版社，2017.