5_LED程序涉及的编程知识

第五章 LED程序涉及的编程知识 5.1 ARM架构的简单介绍

目前IMX6UL是使用Cortex-A7架构，本小节简单介绍一下Cortex-A7架构的基础知识，比如运行模式、寄存器组等。

参考资料:

文件原名DEN0013D_cortex_a_series_PG.pdf
文档全名ARM® Cortex™-A Series Version: 4.0 Programmer’s Guide.pdf
文档所在目录: 资料光盘 00_UserManual\参考资料\Arm架构参考资料\ARMv7编程手册(DEN0013D_cortex_a_series_PG).pdf
参考章节: 3: ARM Processor Modes and Registers

5.1.1 运行模式

Cortex-A7架构的运行模式有9种，分别为User、Sys(System)、FIQ、IRQ、ABT(Abort)、SVC(Supervisor)、UND(Undef)、MON(Monitor)、Hyp模式，如下表：

模式描述User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Sys(System)系统模式，用于运行特权级的操作系统任务FIQ快速中断模式，进入 FIQ 中断异常IRQ一般中断模式ABT(Abort)数据访问终止模式，用于虚拟存储以及存储保护SVC(Supervisor)超级管理员模式，供操作系统使用UND(Undef)未定义指令终止模式MON(Monitor)用于安全扩展模式Hyp用于虚拟化扩展

除了User模式属于非特权模式，其它8种处理器模式都是特权模式。

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。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。

5.1.2 寄存器组

本节我们要讲的是 Cortex-A7 内核寄存器组，而不是芯片外设寄存器。

上一小节我们讲了 Cortex-A7 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，如下图：

浅色字体是与 User 模式所共有的寄存器，浅蓝色背景是各个模式所独有的寄存器，即在所有的模式中，低寄存器组(R0~R7)是共享同一组物理寄存器的，只是一些高寄存器组在不同的模式有自己独有的寄存器，比如 FIQ 模式下 R8~R14 是独立的物理寄存器。

如果某个程序处于 FIQ 模式下访问寄存器 R13(SP)，那它实际访问的是寄存器 SP_fiq

如果某个程序处于 SVC 模式下访问寄存器 R13(SP)，那它实际访问的是寄存器 SP_svc

9 种运行模式的寄存器合计有34个，可以分为：

未备份寄存器，即 R0~R7
备份寄存器，即 R8~R14
程序计数器，即 R15
程序状态寄存器

下面一一介绍以上4类寄存器。

5.1.2.1 未备份寄存器

未备份寄存器指的是 R0R7，因为在所有的运行模式下R0R7寄存器都是同一个物理寄存器，在不同的模式下，R0R7寄存器中的数据就会被破坏，所以R0R7寄存器并没有被用作特殊用途。

5.1.2.2 备份寄存器

备份寄存器中的 R8~R12 寄存器有两种物理寄存器，在快速中断模式下(FIQ)它们对应着Rx_irq(x=8~12)物理寄存器，其他模式下对应着 Rx(8~12)物理寄存器。FIQ 是快速中断模式，这个中断模式要求快速执行！因为 FIQ 模式下的 R8~R12 是独立的，因此中断处理程序可以不用执行保存和恢复中断现场的指令，从而加速中断的执行过程。

备份寄存器 R13(SP) ，也叫栈指针，有 8 个物理寄存器，其中一个是User和Sys模式共用的，剩下的 7 个分别对应 7 种不同的模式。

备份寄存器 R14(LR) ，也叫链接寄存器，有 7 个物理寄存器，其中一个是User、Sys和Hyp模式所共有的，剩下的 6 个分别对应 6 种不同的模式，主要有如下用途：

使用 R14(LR)来存放当前子程序的返回地址，如果使用 BL 或者 BLX来调用子函数的话，R14(LR)被设置成该子函数的返回地址，在子函数中，将 R14(LR)中的值赋给 R15(PC)即可完成子函数返回，如mov pc,lr

5.1.2.3 程序计数器

程序计数器 R15(PC)，保存着当前执行指令地址值加 8 个字节

因为ARM处理器是三级流水线：取指->译码->执行，循环执行。比如当前正在执行第一条指令的同时也对第二条指令进行译码，第三条指令也同时被取出存放在 R15(PC)中，即 R15(PC)总是指向当前正在执行指令地址再加上 2 条指令的地址，对于 32 位的 ARM 处理器，每条指令是 4 个字节，

所以R15(PC) = 当前执行指令地址 + 8个字节

5.1.2.4 程序状态寄存器

程序状态寄存器PSR可以分成当前程序状态寄存器CPSR与备份程序状态寄存器SPSR。

所有运行模式都共用一个 CPSR 物理寄存器，因此 CPSR 可以在任何模式下被访问，该寄存器包含条件标志位、中断禁止位、当前运行模式标志等一些状态位以及一些控制位。但是所有运行模式都共用一个 CPSR 必然会导致冲突，因此除了 User 和 Sys 模式以外，其他 7 个模式都配备一个专用的物理状态寄存器，叫做备份程序状态寄存器(SPSR)，当特定异常中断发生时，SPSR用来保存CPSR的值，当异常退出以后可以用 SPSR 中保存的值来恢复 CPSR。

由于 SPSR 是 CPSR 的备份，因此 SPSR 和 CPSR 的寄存器结构相同，如下图：

N(bit31)：当两个有符号整数运算(补码表示)时，结果用N表示，N=1/0 表示负数/正数

Z(bit30)：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，通常其他位不影响 V 位

Q(bit27)：仅 ARM v5TE_J 架构支持，表示饱和状态，Q=1/0 表示累积饱和/累积不饱和

IT1:0 和 IT7:2一起组成 IT[7:0]，作为 IF-THEN 指令执行状态

J(bit24)和T(bit5)：控制指令执行状态，表明本指令是ARM指令还是Thumb指令，如表

JT描述00ARM01Thumb11ThumbEE10Jazelle

GE3:0：SIMD 指令有效，大于或等于

E(bit9)：大小端控制位，E=1/0 表示大/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=1/0 代表禁止/使能 IRQ

F(bit6)：F=1/0 代表禁止/使能 FIQ

M[4:0]：运行模式控制位，如表

M[4:0]运行模式10000User 模式10001FIQ 模式10010IRQ 模式10011Supervisor(SVC)模式10110Monitor(MON)模式10111Abort(ABT)模式11010Hyp(HYP)模式11011Undef(UND)模式11111System(SYS)模式 5.2 汇编与机器码、汇编指令

参考资料:

文件原名DDI0406C_d_armv7ar_arm.pdf
文档全名ARM® Architecture Reference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition
文档所在目录: 资料光盘 00_UserManual\参考资料\Arm架构参考资料\ armv7 ar架构参考手册学习CPU架构、内存及系统架构（DDI0406C_d_armv7ar_arm）.pdf
参考章节: A5: ARM Instruction Set Encoding

根据指令复杂度来区分，所有CPU可以分为2类：

CISC

复杂指令集计算机，Complex Instruction Set Computer，比如x86
RISC

精简指令集计算机，Reduced Instruction Set Computing，比如ARM，RISC-V

比如，对于加法运算：a = a + b，它涉及4个步骤的操作：读出a，读出b，计算a+b，把结果写回a。

使用CISC(复杂指令集计算机，比如x86)提供的加法指令，只需要一条指令即可完成这4步操作。当然，这一个指令需要多个CPU周期才可以完成。
而RISC不提供“一站式”的加法指令，需调用四条单CPU周期指令完成两数相加：内存a加载到寄存器，内存b加载到寄存器，两个寄存器中数相加，寄存器结果存入内存a

ARM芯片属于精简指令集计算机(RISC：Reduced Instruction Set Computing)，它所用的指令比较简单，有如下特点：

对内存只有读、写指令
对于数据的运算是在CPU内部实现
使用RISC指令的CPU复杂度小一点，易于设计

5.2.1 汇编与机器码

上面的例子中，数值a原来是保存在内存里的，执行了某条指令后，它的值被读入内存，那问题来了：

什么指令，可以让CPU从内存里把数据读进来？

比如：

mov r0, #addr_a // 把变量a的地址传给CPU寄存器r0
ldr r1, [r0]    // 从r0所指的内存把数值读进CPU寄存器r1

读进来后，这个数保存在哪里？

当然是保存在CPU内部了，存在某个寄存器里，上面的代码用寄存器r1来保存该值
如何处理数据？

CPU执行加法指令，比如：

add r1, r1, r2 // 在CPU内部，r1=r1+r2

最终数据怎么写入内存？

CPU执行指令，比如：

str r1, [r0]   // 将r1的值写入r0所指的内存

上面例子中，mov、add、ldr、str等都是汇编指令，或者说它们是“助记符”──帮助我们记忆的。记忆什么呢？这些指令其实是一个一个数值，我们去记这些数值有难度，所以就用mov表示某个指令的数值，用add表示某个指令的数值，对应的，这些指令的数值就是机器码，即汇编指令是机器码的助记符

ARM指令机器码是有一定格式，如下：

condop1op指令类型not 111100x-数据处理和杂项指令，如MOVnot 1111010-加载/存储指令，如LDR/STRnot 11110110加载/存储指令，如LDR/STRnot 11110111媒体指令(英文：Media instructions)not 111110x-分支指令，如B、BL; 块数据传输指令，如 LDM/STM、POP/PUSHnot 111111x-协处理器指令1111--无条件指令，如BL

下面讲解几种常用的汇编指令。

参考资料: ARM® and Thumb®-2 Instruction Set Quick Reference Card.pdf (ARM指令快速参考卡)

文档所在目录: 资料光盘 00_UserManual\参考资料\Arm架构参考资料\ ARM® and Thumb®-2 Instruction Set Quick Reference Card.pdf

5.2.2 汇编指令

汇编指令的格式，如下：

label：                  
	instruction @ comment

label，即标签，表示地址位置，可以通过label得到指令/数据地址

instruction，即指令，表示汇编指令或伪指令

@ comment，@表示后面是注释，comment表示注释内容

比如：

add:                                
	mov r0, #0 @ 将R0寄存器设置成0

上面汇编代码中，add表示标签，mov r0, #0表示指令，@ 将R0寄存器设置成0 表示注释

常用的汇编指令一般有mov、bl/b、add/sub、ldm/stm、push/pop等等，下面一一介绍。

5.2.2.1 mov

mov r1, #10  @ 将10赋值给寄存器r1，即r1=10

指令执行过程，如下：

取指

假设从内存的addrA地址取机器码e3a0100a（即mov r1, #10指令）
译码

原来是MOV指令
执行

CPU内部寄存器R1等于10

其中，机器码e3a0100a，MOV指令各位的解析如下：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-klSoVHWv-1642059925428)(https://cdn.jsdelivr.net/gh/DongshanPI/HomeSite-Photos@main/IMX6ULL-BareMetal/LED_Program_Knowdge_image006.png)]

[31:28]位是条件码0xe；[15：12]位是寄存器R1，即0x1；[12:0]位是立即数10，即0x00a

5.2.2.2 bl

1 bl test_tag
2 mov r1, #10
3 
4 test_tag:
5 	mov r3, #0
6 	mov pc, lr

第1行，跳转到test_tag标签处执行mov r3, #0指令，并且将mov r1, #10指令的地址存储到 LR 寄存器

第6行，返回到mov r1, #10指令地址，并且执行mov r1, #10指令

指令执行过程，如下：

CPU从内存的addrA地址取机器码eb000000（即bl test_tag指令），执行后，PC跳转到test_tag标签位置，即内存的addrA+8地址，从上图可知，其实test_tag标签的地址是mov r3, #0指令的地址。同时自动将内存的addrA+4地址存储在寄存器LR中
CPU从内存的addrA+8地址取机器码e3a03000（即mov r3, #0指令），执行，CPU内部寄存器R3等于0
CPU从内存的addrA+12地址取机器码e1a0f00e（即mov pc, lr指令），执行，PC跳转到内存的addrA+4地址
CPU从内存的addrA+4地址取机器码e3a0100a（即mov r1, #10指令），执行，CPU内部寄存器R1等于10

其中，机器码eb000000，BL指令各位的解析如下：

imm[23:0]是PC值与标签的偏移值除以4，但是此处的偏移值是0，为什么尼？这是因为ARM采用三级流水线的方法，即取指、译码、执行指令。所以当ARM执行addrA地址的bl test_tag指令时，但是PC已经指向addrA+8地址进行取mov r3, #0指令，所以此处的偏移值是0

5.2.2.3 b

1 b test_tag
2 mov r1, #10
3
4 test_tag:
5 	mov r3, #0

第1行，只是跳转到test_tag标签处执行mov r3, #0指令，没有跳转回去执行mov r1, #10指令

指令B与指令BL，大同小异，此处就不一一分析了，可以参数指令BL，它们的区别：是否将B/BL指令的下一条指令的地址存储到寄存器LR，BL指令会存储，B指令不会存储。

5.2.2.4 add/sub

1 mov r1, #10
2 add r2, r1, #4
3 sub r2, r1, #4

第1行，将寄存器r1加上4后，赋值给寄存器r2

第2行，将寄存器r1减去4后，赋值给寄存器r2

指令执行过程，如下：

CPU从内存的addrA+4地址取机器码e2812004（即add r2, r1, #4指令），执行后，CPU内部寄存器R2等于14

CPU从内存的addrA+8地址取机器码e2412004（即sub r2, r1, #4指令），执行后，CPU内部寄存器R2等于6

其中，机器码e2812004，ADD指令各位的解析如下：

[19: 16]位是源寄存器R1，即1；[15: 12]位是目标寄存器R2，即2；[11: 0]位是立即数4，即0x004；

其中，机器码e2412004，SUB指令各位的解析如下：

[19: 16]位是源寄存器R1，即1；[15: 12]位是目标寄存器R2，即2；[11: 0]位是立即数4，即0x004；

5.2.2.5 ldr/str

1 mov r0, #400H @ 0x400
2 mov r1, #aH   @ 0xa
3 str r1, [r0]
4 ldr r2, [r0]

第3行，将寄存器R1的值0xa存储到寄存器R0指向的地址0x400

第4行，将寄存器R0指向地址0x400的数据赋值给寄存器R2

指令执行过程，如下：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-o1GEe5XB-1642059925431)(https://cdn.jsdelivr.net/gh/DongshanPI/HomeSite-Photos@main/IMX6ULL-BareMetal/LED_Program_Knowdge_image012.png)]

CPU从内存的addrA地址取机器码e3a00b01（即mov r0, #400H指令），执行后，CPU内部寄存器R0等于0x400
CPU从内存的addrA+4地址取机器码e3a0100a（即mov r1, #aH指令），执行后，CPU内部寄存器R1等于0xa
CPU从内存的addrA+8地址取机器码e5801000（即str r1, [r0]指令），执行后，寄存器R1的0xa数据存储到寄存器R0指向的地址0x400，即内存的0x400地址的值为0xa
CPU从内存的addrA+12地址取机器码e5902000（即ldr r2, [r0]指令），执行后，寄存器R0指向的地址0x400的数据存储到CPU内部寄存器R2，即CPU内部寄存器R2等于0xa

其中，机器码e5801000，STR指令各位的解析如下：

[19: 16]位是目标寄存器R0，即0；[15: 12]位是源寄存器R1，即1；

其中，机器码e5902000，LDR指令各位的解析如下：

[19: 16]位是源寄存器R0，即0；[15: 12]位是目标寄存器R2，即2；

ldr sp,=0x80200000

这个是一条伪指令，即实际中并不存在这个指令，它会被拆分成几个真正的ARM指令，实现一样的效果，将0x80200000赋值给寄存器sp，即sp=0x80200000

指令执行过程，如下：

ldr sp,=0x80200000这条伪指令，被翻译成两条指令来执行，先将0x80200000存储到内存地址addrA+4处，然后通过LDR指令把寄存器SP设置成0x80200000。

如何分析ldr sp, [pc, #-4]指令的机器码e51fd004？读者可以根据上图LDR指令机器码的格式，自行进行分析。温馨提示：imm12[11: 0]位是源寄存器Rn的偏移值。

5.2.2.6 ldm/stm

ldm，多数据加载，将某地址的值赋值给某寄存器

stm，多数据存储，将某寄存器的值存储到某地址

格式：

ldm{cond} Rn{!}, reglist
stm{cond} Rn{!}, reglist

参数说明：

cond：前四个条件是用于数据块操作，后四个条件是用于堆栈操作

IA : 每次传送后地址加4，其中寄存器从左到右执行，例如：STMIA R0,{R1,LR} 先存R1，再存LR

IB : 每次传送前地址加4，同上

DA : 每次传送后地址减4，其中寄存器从右到左执行，例如：STMDA R0,{R1,LR} 先存LR，再存R1

DB : 每次传送前地址减4，同上

FD : 满递减堆栈

FA : 满递增堆栈

ED : 空递减堆栈

EA : 空递增堆栈

Rn：基址寄存器，即寄存器的值是起始地址

！：表示最后的地址写回到Rn中

reglist：表示寄存器范围，用 , 隔开，如{R1,R2,R6-R9}

数据块操作：

1 ldr r1,=0x10000000     
2 
3 ldmib r1!, {r0,r4-r6}
4 stmda r1!, {r0,r4-r6}

第1行，将起始地址0x10000000赋值给r1

第3行，因为使用ib，所以每次传送前地址加4，具体操作如下：

将0X10000004地址的内容赋值给R0

将0X10000008地址的内容赋值给R4

将0X1000000C地址的内容赋值给R5

将0X10000010地址的内容赋值给R6

由于!，最后的地址写回到R1中，R1=0X10000010

第4行，因为使用da，所以每次传送后地址减4，具体操作如下：

将R6存储到0X10000010地址

将R5存储到0X1000000C地址

将R4存储到0X10000008地址

将R0存储到0X10000004地址

由于!，最后的地址写回到R1中，R1=0X10000000

如下图所示：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PI07EznT-1642059925434)(https://cdn.jsdelivr.net/gh/DongshanPI/HomeSite-Photos@main/IMX6ULL-BareMetal/LED_Program_Knowdge_image016.png)]

堆栈操作：满递减堆栈

1 ldr sp,=0x80200000
2
3 stmfd sp!, {r0-r2} @ 入栈
4 ldmfd sp!, {r0-r2} @ 出栈

第1行，将0x80200000赋值给sp，作为堆栈的起始地址

第3行，入栈，具体操作如下：

将R2存储到0X80200000地址

将R1存储到0X801FFFFC地址

将R0存储到0X801FFFF8地址

第4行，出栈，具体操作如下：

将0X801FFFF8地址的内容赋值给R0

将0X801FFFFC地址的内容赋值给R1

将0X80200000地址的内容赋值给R2

如下图所示：

上述第3，4行汇编代码，就是所谓的入栈，出栈。也可以用push，pop指令完成入栈，出栈，如下

1 ldr sp,=0x80200000
2
3 push {r0-r2} @ 入栈
4 pop {r0-r2}  @ 出栈

5.3 进制

目前计算机对数据的表示方式，有十六进制、十进制、八进制与二进制。

5.3.1 如何理解它们的区别？

十六进制，逢十六进一，每一位由0~F组成，习惯用0x前缀表示或用H后缀表示

0xA或AH

十进制，逢十进一，每一位由0~9组成，无前缀或用D后缀表示

10或10D

八进制，逢八进一，每一位由0~7组成，习惯用0前缀表示或用O后缀表示

012或12O

二进制，逢二进一，每一位由0~1组成，习惯用0b前缀表示或用B后缀表示

0b1010或1010B

5.3.2 在C语言中怎么表示这些进制呢？

十六进制:int a = 0xA;   // 0x前缀
十进制:  int a = 10;
八进制:  int a = 012;   // 0前缀
二进制:  int a = 0b1010;// 0b前缀

5.3.3 十六进制与二进制转换关系

在嵌入式开发中经常需要对十六进制与二进制进行转换

如何快速的转换2/16进制？首先记住8 4 2 1 ——>二进制权重

将二进制0b01101110101转换成十六进制：将二进制从右到左，每四个分成一组：

结果就是0x375

将十六进制0xABC1转换成二进制：将十六进制从右到左，每个分成四位：

结果就是1010 1011 1100 0001

5.4 大/小端模式与位操作 5.4.1 大/小端模式

大端模式（Big-endian），是指数据的高字节保存在内存的低地址中，而数据的低字节保存在内存的高地址中

小端模式（Little-endian），是指数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中

比如：0x12345678，在大/小端模式的存储位置如下：

内存地址大端模式小端模式addr+30x780x12addr+20x560x34addr+10x340x56addr0x120x78 5.4.2 位操作 5.4.2.1 移位

1 int a = 0x6; // 二进制是0b0110
2 int b = a1;

第2行，对a左移一位，从0b0110->0b1100，即b=0xC

第3行，对a右移一位，从0b0110->0b0011，即b=0x3

5.4.2.2 取反

1 int a = 0x6; // 二进制是0b0110
2 int b = ~a;

第2行，对a按位取反，从0b0110->0b1001，即b=0x9

5.4.2.3 位与

只有对应的两个二进位都为1时，结果位才为1

1 int a = 0x6; // 二进制是0b0110
2 int b = 0x7; // 二进制是0b0111
3 
4 int c = a&b;

第4行，a&b，二进制是0b0110，即c=0x6

5.4.2.4 位或

只要对应的二个二进位有一个为1时，结果位就为1

1 int a = 0x6; // 二进制是0b0110
2 int b = 0x7; // 二进制是0b0111
3 
4 int c = a|b;

第4行，a|b，二进制是0b0111，即c=0x7

5.4.2.5 置位

1 int a = 0x6;     // 二进制是0b0110
2 
3 int a |= (1

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