嵌入式系统导论（第2版）-教学课件 嵌入式导论03

嵌入式系统导论主讲教师：第3章Thumb指令系统本章内容提要3.1ARM指令集和Thumb指令集3.2统一汇编语言UAL3.3数据寻址3.4常用指令3.5STM32启动代码3.6开发工具MDK3.132位ARM指令和16位Thumb指令传统的ARM处理器具有两种指令执行状态32位ARM状态：所有32位指令，以获得高性能16位Thumb状态：仅16位指令，以提高代码密度很多应用程序混合使用ARM和Thumb代码ARM和Thumb指令的转换需要进行状态切换带来执行时间和代码数量的额外开销增加软件编译的复杂度没有经验的开发人员很难进行软件优化32、16位指令是指令字长是32、16位Thumb-2技术Cortex-M系列处理器的指令系统被称为Thumb包括16位Thumb指令和新的32位Thumb指令Cortex-M3/M4使用Thumb-2技术允许混合16和32位Thumb指令，无需状态切换简化软件开发，提高代码密度、效率和性能不支持32位ARM指令导致Cortex-M3无法向后兼容传统的ARM处理器不过Cortex-M3完全支持原来16位Thumb指令大多数程序使用C语言开发，转换比较简单Thumb指令系统ARM指令集的发展动态编译器支持VFPv3NEONThumb-2（可选）Thumb-2（标配）TrustZoneSIMDVFPv2Jazelle仅Thumb-2ARMv5ARMv6ARMv7A&RARMv7M3.2统一汇编语言UALUAL（Unifiedassemblylanguage）ARM和Thumb指令的通用汇编语言语法过去的语法被称为：pre-UAL最新的ARM软件开发工具已经支持UALPre-UAL目前仍被大多数开发工具接受KeilMDK-ARM中，指示符THUMB ;使用UAL语法的Thumb指令CODE16 ;使用pre-UAL语法的Thumb指令ARM汇编程序的语句格式symbolmnemonicoperand1,operand2,... ;Comments标识符助记符操作数1,操作数2,... ;注释标识符symbol必须起始于第一列（顶格）所有指令不能顶格书写标号等标识符大小写敏感指令、寄存器可全大写、全小写，不要大小写混用汇编语言的程序结构代码区：定义指令代码序列汇编后被保存在代码（CODE）存储器数据区：声明使用的数据，还可以提供初始值或常量汇编后在数据（DATA）存储器预留空间（初值）系统堆栈：在存储器中保留空间、设置栈指针SP区域指示符AREA定义存储区段（section）：代码区或数据区区段名可以使用两个垂线字符括起类型：code（代码）、data（数据）属性主要是一些选项：readonly：只读（CODE区段的默认属性）readwrite：可读可写（DATA区段的默认属性）align=n：地址对齐2n分配，n=0～31noinit：说明DATA区段没有初始值或初始值为0AREA区段名{,类型}{,属性}... ;区段内容，指令或数据定义过程指示符PROC/ENDP（FUNCTION/ENDFUNC）定义过程结构（函数、子程序）可选{reglist1}是过程要保护的寄存器列表过程名 PROC[{reglist1}] ;开始

... ;过程体（指令序列）

ENDP ;结束AREAmysect,CODE,readonly,align=2MyFunctPROC ... ENDP起始执行指示符 ENTRY ... ;第一条执行的指令 ... END ;汇编语言程序结束汇编结束指示符地址对齐指示符 ALIGN{expr}不带参数设置当前位置是下一个字（4个字节）边界带参数expr对齐expr字节边界expr是2幂次方的值，例如2、4、8、……由于ARM处理器大多数情况下都要求对齐地址边界操作，所以经常需要使用ALIGN指令以保证数据和代码对齐了适合的地址边界预留存储器空间指示符SPACE伪指令预留内容是0的存储空间SPACE可以使用“%”替代FILL伪指令预留内容是value值的存储空间label是可选的标号expr是分配存储器空间的大小（字节为单位）value在存储空间预留的值，无表示是0valuesize是value的字节数（1、2或4）， 无表示是1{label}SPACEexpr{label}FILLexpr{,value{,valuesize}}数据定义指示符DC(DefineConstant)，在存储单元定义固定初值数据区域分配的静态数据，类似共享变量DCB/DCW/DCD/DCQ依次以1/2/4/8字节分配空间赋初值expr（可以是多个数值）DCB的初值expr还可以是括起的字符串没有U选项，则要求相应地址对齐U选项不要求地址对齐，但有风险、慎用{label}DCBexpr{,expr}{label}DCW{U}expr{,expr}{label}DCD{U}expr{,expr}{label}DCQ{U}expr{,expr}常量表达十六进制数像C语言一样使用0x前缀字符用单引号，字符串用双引号字符和字符串中都可以是C语言标准的转义符布尔常量 逻辑真→{TRUE}，逻辑假→{FALSE}符号常量声明使用等价EQU指示符

STACK_TOPEQU0x00000400指令中，常量要使用“#”作为前导字母

MOVR0,#0x12 ;R0=0x12立即数寻址

MOVR0,#0x12 ;R0=0x12在16位Thumb指令中，立即数只能是8位数据32位指令MOVW的立即数超过8位、不超过16位32位指令编码无法直接表达32位立即数：

MOVR5,#0X1FF400 ;=>AssemblyERRORUAL语法支持MOV32伪指令： MOV32{cond}Rd,expr ;一般格式 MOV32R5,#0X1FF400 ;示例MOV32伪指令实质是使用MOV和MOVT指令组合32位数据的赋值：使用伪指令LDR

LDRRi,=val ;一般格式

LDRR5,=0X1FF400 ;示例实际上，这里没有立即数，而是类似：

LDRR5,[PC,#18] ;从[PC+18]获得数据数据保存在被汇编程序事先创建的存储区域（假设是当前PC的偏移位置18处）该伪指令也用于获得指针(变量地址) MOVRi,#val ;实际生成的MOV指令

LDRRi,[PC,#n] ;或者生成的LDR指令3.3数据寻址立即数寻址：从指令的机器代码中获得数据数据本身直接编码在指令的机器代码中，指令执行时可以立即从机器代码中获得立即数多以常量形式表达，用井号“#”作为前导寄存器寻址：从处理器的寄存器中访问数据存储器寻址：从主存储器中访问数据寄存器寻址通用寄存器13个：R0～R12R13(SP)和R14(LR)多数情况下也可以使用但由于他们的特定含义和作用，要小心使用R15（PC），大多数指令不能使用它因为它将改变程序流程、非常危险改变流程，应该使用跳转指令（B、BL、BX等）寄存器移位寻址ARM和Thumb-2指令的特有寻址方法对第3个寄存器操作数实现移位操作移位（shift）操作有5种LSL（LogicalShiftLeft），逻辑左移LSR（LogicalShiftRight），逻辑右移ASR（ArithmeticShiftRight），算术右移ROR（RotateRight），循环右移RRX（RotateRighteXtended），循环右移扩展即带进位标志的右移 ANDR0,R1,R2,LSL#3 ;R0←R1&(R2<<3)寄存器移位寻址的MOV指令只有移位、没有其他操作的MOV指令寄存器在UAL语法中，直接使用移位关键字为助记符寄存器移位寻址的MOV指令UAL语法MOVRd,Rn,LSLshiftMOVRd,Rn,LSRshiftMOVRd,Rn,ASRshiftMOVRd,Rn,RORshiftMOVRd,Rn,RRXLSLRd,Rn,shiftLSRRd,Rn,shiftASRRd,Rn,shiftRORRd,Rn,shiftRRXRd,Rn访问（存取）存储器操作数RISC处理器采用Load-Store结构存储器操作指令只有两种读取存储器操作数LoadtoRegister

LDRRi,{expr}存储存储器操作数StorefromRegister

STRRi,{expr}操作数expr有多种形式（寻址方式）存储器操作数的寄存器间接寻址

LDRRi，[Rj] ;Ri=[Rj]expr是“[Rj]”形式存储器地址保存在某个通用寄存器中ARM不支持直接寻址Indirectaddressing存储器操作数的寄存器偏移寻址LDRRi，[Rj,#offset] ;①Ri=[Rj+offset]LDRRi，[Rj,Rk] ;②Ri=[Rj+Rk]LDRRi，[Rj,Rkshift#n] ;③Ri=[Rj+(Rkshift#n)]存储器地址由通用寄存器内容加上一个位移量（Displacement）、也称偏移量（Offset）组成位移量可以来自①立即数（通常在4KB范围内）②寄存器③寄存器移位（LSL、LSR、ASR、ROR、RRX）Indirectaddressingwithdisplacement存储器操作数的寄存器后偏移寻址

LDRRi，[Rj],#offset ;Ri=[Rj]，Rj=Rj+offset

LDRRi，[Rj],Rk ;Ri=[Rj]，Rj=Rj+Rk

LDRRi，[Rj],Rkshift#n ;Ri=[Rj]，Rj=Rj+(Rkshift#n)这种寻址方式的指令具有两个功能：先用[Rj]间接寻址访问存储器内容赋值Ri之后将Rj加上位移量更新Rj的地址Indirectaddressingwithpost-displacement存储器操作数的寄存器前偏移寻址

LDRRi，[Rj,#offset]! ;Rj=Rj+offset，Ri=[Rj]

LDRRi，[Rj,Rk]! ;Rj=Rj+Rk，Ri=[Rj]

LDRRi，[Rj,Rkshift#n]! ;Rj=Rj+(Rkshift#n)，Ri=[Rj]这种寻址方式的指令具有两个功能：先将Rj加上位移量更新Rj的地址然后用[Rj]间接寻址访问存储器内容赋值RiIndirectaddressingwithpre-displacement3.4Cortex-M3的指令系统存储器访问指令，批量32位数据传输指令通用数据处理加减运算、逻辑运算以及硬件除法等指令乘法指令饱和运算指令位操作指令跳转、条件分支和功能调用指令系统控制、操作系统支持等指令ARM处理器的指令格式花括号“{}”表示可选opcode指令操作码：使用助记符表示Rd目的寄存器存储器读（除批量读）指令，是读入数据的寄存器存储器写（除批量存）指令，该寄存器内容写入存储器Rn（第1个源操作数）寄存器{,operand2}第2个源操作数非存储器访问指令支持寄存器移位寻址存储器访问指令支持间接、偏移和前偏移、后偏移寻址opcode{S}{cond}Rd,Rn{,operand2}S后缀：更新APSR没有S后缀：不影响APSR中的标志有S后缀：更新APSR内容opcode{S}{cond}Rd,Rn{,operand2}313029282726:252415:108:0NZCVQICI/ITTICI/IT异常号APSREPSRIPSRPSR或xPSR应用程序状态寄存器APSRN（Negative）负数标志有符号整数的结果是负数设置N标志为1结果是正数或0设置N标志为0Z（Zero）零标志执行结果是0（两数比较相等）设置为1，否则为0C（Carry）进位标志对无符号相加，无符号溢出（进位）设置为1对无符号相减，结果没有借位设置为1，借位为0V（Overflow）溢出标志对有符号整数加减，当有符号溢出时设置为1ApplicationProgramStatusRegister{cond}后缀：条件执行没有cond后缀：总是执行有cond后缀：条件成立，执行条件不成立，不执行opcode{S}{cond}Rd,Rn{,operand2}这样，大多数指令都成了条件执行指令条件cond后缀标志含义EQZ=1Equal，相等NEZ=0NotEqual，不相等MIN=1Minus，负数PLN=0Plus，正数VSV=1oVerflowSet，溢出VCV=0oVerflowClear，未溢出CSHSC=1CarrySet，进位HigherorSame，高于或等于CCLOC=0ClearCarry，无进位Lower，低于条件cond（续）后缀标志含义HIC=1ANDZ=0unsignedHigher，无符号高于LSC=0ORZ=1unsignedLowerorSame，无符号低于或等于GEN=VsignedGreaterthanorEqual，有符号大于或等于LTN≠VsignedLessThan，有符号小于GTZ=0ANDN=VsignedGreaterThan，有符号大于LEZ=1ORN≠VsignedLessthanorEqual，有符号小于或等于处理器内的传送指令寄存器之间传送、传送立即数到寄存器

MOV{S}{cond}Rd,Operand2 ;寄存器传送

MOV{cond}Rd,#imm16 ;立即数传送

MVN{S}{cond}Rd,Operand2 ;源操作数取反后传送给目的寄存器（取反）专用寄存器与通用寄存器之间传送

MRS{cond}Rd,spec_reg ;专用寄存器读取

MSR{cond}spec_reg,Rn ;专用寄存器写入存储器访问指令存储器读写

LDR{cond}Rd,Rn,Operand2 ;存储器读

STR{cond}Rd,Rn,Operand2 ;存储器写存储器批量读写

LDM{cond}Rn{!},reglist ;存储器批量读

STM{cond}Rn{!},reglist ;存储器批量写堆栈操作指令

PUSH{cond}reglist

POP{cond}reglist生成相对PC的地址

ADR{cond}Rd,label ;Rd=label的地址label是标号汇编程序也支持label加减一个数字或者[PC,#number]形式加减运算、逻辑运算指令ADD（加法）、ADC（带进位加法）SUB（减法）、SBC（带进位减法）RSB（反转减法，ReverseSubtract）

oprand2–Rn→RdAND（逻辑与）、ORR（逻辑或）、EOR（逻辑异或）BIC（逻辑与非，operand2求反后与Rn相逻辑与）ORN（逻辑或非，operand2求反后与Rn相逻辑或）op{S}{cond}{Rd,}Rn,Operand2

;Rnopoprand2→Rdop{cond}{Rd,}Rn,#imm12;仅ADD和SUB比较测试指令 CMP{cond}Rn,Operand2 ;Rn-oprand2，类似SUBS、但不保存结果

CMN{cond}Rn,Operand2;Rn+oprand2，类似ADDS、但不保存结果

TST{cond}Rn,Operand2;Rn与oprand2，类似ANDS、但不保存结果

TEQ{cond}Rn,Operand2 ;Rn异或oprand2，类似EORS、但不保存结果移位指令 op{S}{cond}Rd,Rm,Rs op{S}{cond}Rd,Rm,#n RRX{S}{cond}Rd,Rm操作码op指逻辑左移LSL、逻辑右移LSR算术右移ASR、循环右移RORRs指保存移位位数的寄存器，只用最低字节n是移位位数乘除法指令

MUL{S}{cond}{Rd,}Rn,Rm ;乘法：Rd=(Rn×Rm)低32位

MLA{cond}Rd,Rn,Rm,Ra ;乘加：Rd=(Rn×Rm)低32位+Ra

MLS{cond}Rd,Rn,Rm,Ra ;乘减：Rd=Ra–(Rn×Rm)低32位

SDIV{cond}{Rd,}Rn,Rm ;有符号数除法：Rd=Rn÷Rm

UDIV{cond}{Rd,}Rn,Rm ;无符号数除法：Rd=Rn÷Rm长乘法指令 UMULL{cond}RdLo,RdHi,Rn,Rm;无符号数64位长乘法：(RdHi,RdLo)=Rn×Rm

SMULL{cond}RdLo,RdHi,Rn,Rm;有符号数64位长乘法：(RdHi,RdLo)=Rn×Rm

UMLAL{cond}RdLo,RdHi,Rn,Rm;无符号数64位长乘加：

(RdHi,RdLo)=(RdHi,RdLo)+Rn×Rm SMLAL{cond}RdLo,RdHi,Rn,Rm;有符号数64位长乘加：

(RdHi,RdLo)=(RdHi,RdLo)+Rn×Rm跳转调用指令

B{cond}label ;跳转到label

BL{cond}label ;跳转并连接到label ;调用label子程序（下条指令地址存入R14）

BX{cond}Rm ;跳转到Rm指定的地址

;子程序返回一般用“BXLR“指令

BLX{cond}Rm ;调用Rm指定地址的子程序 （下条指令地址存入R14）分支指令

CBZRn,label ;Rn等于0跳转到Label

CBNZRn,label ;Rn不等于0跳转到Label

IT{x{y{z}}}cond ;分支（If-Then）条件指令

;cond说明IT块中第1条指令执行的条件

;x、y和z依次说明IT块中第2、3和4条指令执行的条件开关T或E：

;如果是T（Then）表示条件成立执行

;否则是E（Else）表示条件不成立执行。其他指令

NOP{cond} ;空操作指令

BKPT#imm ;断点（Breakpoint）指令

;引起处理器进入调试状态

SVC{cond}#imm ;引起管理员调用SVC ;（SupervisorCall）异常

WFI{cond} ;等待中断WaitForInterrupt ;暂停执行直到非屏蔽中断产生并响应、

;被PRIMASK屏蔽的中断被挂起（pending）、

;或者有调试（DebugEntry）请求3.5STM32启动代码（StartupCode）用来初始化硬件电路为高级语言编写的应用程序做好运行前准备通常采用汇编语言编写是处理器上电复位时的程序运行入口点启动代码与使用的处理器和硬件设备有关过程大致相同，主要是：堆和栈的定义及初始化异常（中断）向量表的建立提供默认异常（中断）处理程序调用函数配置时钟系统最终转向main函数开始执行应用程序Cortex-M3启动方式通过boot引脚设置，有3种启动方式方式1：SRAM区中断向量表定位于SRAM区起始地址和PC指针是0x20000000方式2：Flash区中断向量表定位于Flash区起始地址和PC指针是0x80000000方式3：Bootloader区中断向量表定位于内置Bootloader区起始地址必须存放栈顶指针第2个地址必须存放复位入口地址STM32启动代码文件在STM32库V3.5.0中，启动代码的文件名是startup_stm32f10x_??.s“??”表示不同类型STM32微控制器例如，“xl”，指超高密度容量的微控制器芯片启动代码基本一样，分成4个片段：（1）定义堆和栈的大小（2）定义中断向量表（3）默认的中断处理程序（4）用户初始化堆和栈分析startup_stm32f10x_hd.sSTM32启动代码1：定义堆和栈的大小Stack_SizeEQU0x00000400 ;栈大小为0x400

AREASTACK,NOINIT,READWRITE,ALIGN=3 ;定义栈STACK，未初始化、可读可写、8字节对齐Stack_MemSPACEStack_Size ;为栈分配空间__initial_sp ;栈地址标号Heap_SizeEQU0x00000200 ;堆大小为0x200

AREAHEAP,NOINIT,READWRITE,ALIGN=3__heap_base ;堆基地址标号Heap_MemSPACEHeap_Size ;为堆分配空间__heap_limit ;堆容量地址标号

PRESERVE8 ;指定当前堆栈8字节对齐

THUMB ;使用32位Thumb指令、支持UAL汇编语言STM32启动代码2：定义中断向量表

AREARESET,DATA,READONLY ;定义复位（RESET）区、数据段，只读

EXPORT__Vectors

;中断向量地址(程序地址)

EXPORT__Vectors_End

EXPORT__Vectors_Size

;EXPORT定义全局标号，表示可在其他文件中使用__Vectors DCD__initial_sp ;地址0x00保存堆栈指针

DCDReset_Handler ;地址0x04保存复位地址

DCDNMI_Handler ;地址0x08保存非屏蔽地址

…… ;略(所有中断向量地址)STM32启动代码3：默认中断处理程序

AREA|.text|,CODE,READONLY

;代码段、只读Reset_HandlerPROC ;复位处理程序

EXPORTReset_Handler[WEAK] ;[WEAK]选项：若其他文件也定义该标号（函数） ;连接时使用其他文件的地址；否则以此处地址连接

IMPORT__main IMPORTSystemInit ;IMPORT表示标号在其他文件中定义

STM32启动代码3：默认中断处理程序（续1） LDRR0,=SystemInit ;把SystemInit的地址给RO

BLXR0 ;调用SystemInit，初始化STM32的时钟系统

LDRR0,=__main ;把__main的地址给RO

BXR0 ;跳转到__main标号

ENDP注1：SystemInit定义在system_stm32f10x.c中注2：__main指向C/C++初始化子程序（初始化堆和栈等），最后跳转到C语言程序的main函数STM32启动代码3：默认中断处理程序（续2） ;默认异常(中断)处理程序（无限循环、可被修改）NMI_HandlerPROC ;NMI处理程序

EXPORTNMI_Handler[WEAK] B. ;“.”代表当前指令地址 ;“B

.”类似C语言的while(1)语句，无限循环

ENDP …… ;略

ALIGN ;按照要求进行对齐注3：V3.5.0前启动代码没有调用SystemInit，需要用户在应用程序主函数main中首先调用STM32启动代码4：用户初始化堆和栈

IF:DEF:__MICROLIB ;如果定义了__MICROLIB则为真，否则为假

EXPORT__initial_sp ;为真，让外部文件使用定义的堆和栈地址

EXPORT__heap_base EXPORT__heap_limitMicroLib是为基于ARM嵌入式应用编写的一个高度优化的C语言库，提供了更紧凑的代码大小、可应用于无操作系统支持的情况，不支持文件I/O和宽字符、有些函数速度略慢MicroLib的选择（目标选项）STM32启动代码4：用户初始化堆和栈（续）

ELSE

;为假，使用默认的C语言运行库

IMPORT__use_two_region_memory EXPORT__user_initial_stackheap__user_initial_stackheap LDRR0,=Heap_Mem ;堆起始地址

LDRR1,=(Stack_Mem+Stack_Size) ;栈大小

LDRR2,=(Heap_Mem+Heap_Size) ;堆大小

LDRR3,=Stack_Mem ;栈顶指针

BXLR ALIGN ENDIF END3.6开发工具MDK-ARM流行的Cortex-M处理器商业开发平台包括各种组件：μVision集成开发环境（IDE）ARM编译工具(C/C++编译器、汇编器、连接器等)调试器和模拟器RTX实时操作系统核心超过1000个微控制器的参考启动代码Flash编程算法程序示例KeilMicrocontrollerDevelopmentKitforARM基于MDK的一般开发流程μVision集成界面MDK安装目录MDK-ARM5安装的Keil目录UV4子目录（μVision5的文件）ARM子目录（主要文件）ARMCC\bin是主要的程序文件armcc.exe：C/C++编译程序armasm.exe：汇编程序armlink.exe：连接程序fromelf.exe：下载生成程序BIN是动态链接库DLLHlp保存各种帮助文件Pack驱动程序包（库）的目录软件包程序目录Pack目录（驱动程序文件）ARM是ARM公司的基本驱动程序Keil保存有ST公司的驱动程序 含启动代码文件、外设驱动程序的头文件和源程序文件等……创建应用程序1.新建项目：Project–NewμVisionProject选择或新建一个目录，输入项目文件名选择目标微控制器（ST公司的STM32F103ZE）根据项目需求，选择相应的驱动程序修改目标名、组名，或增加新组创建应用程序2.新建源程序文件：File–New编辑源程序代码、保存文件加入项目（AddExistingFilestoGroup）intmain(){}创建应用程序3.构建应用程序：Project–BuildTarget编译、汇编和连接4.调试应用程序：

Debug–Start/StopDebugSession目标选项的调试配置：OptionforTarget使用模拟器UseSimulator启动时载入应用程序

LoadAplicationatStartup运