嵌入式实验一报告--arm基本指令

设计性实验（    ）

综合性实验（    ）

                                                    教师签字：

                                                          年   月   日

1.初步学会使用 μVision3 IDE for ARM 开发环境及ARM 软件模拟器；

2.通过实验掌握简单 ARM 汇编指令的使用方法。用 μVision3 IDE for ARM 开发环境及ARM 软件模拟器；

3.通过实验掌握简单 ARM 汇编指令的使用方法。

4.通过实验掌握使用 ldm/stm，b，bl 等指令完成较为复杂的存储区访问和程序分支；

5.学习使用条件码，加强对 CPSR 的认识；

6.通过实验掌握msr/mrs指令实现ARM处理器工作模式的切换

7.观察不同模式下的寄存器，加深对CPU结构的理解

8.学会使用c与汇编混合编程

2、实验内容

1. 编写程序循环对R4-R11进行累加8次赋值，R4-R11 起始值为1-8，每次加操作后把R4-R11的内容放入SP 栈中，SP 初始设置为0x800。

最后把R4-R11用LDMFD指令清空赋值为0。

2.编写程序从ARM状态切换到Thumb，在ARM状态下把R2赋值为0x12345678，在Thumb状态下把R2赋值为0x87654321。同时观察并记录CPSR，SPSR的值，分析各个标志位。

3.有两个内存区A，B，内存区A存放100个字（32位），有两个函数分别为Fiq_get()FIQ模式,和用户模式Sort();

Fiq_get()负责从前到后从A区取8个字 W0－W7，并全部减去第8个数W8，再传递给Sort()函数 ；Sort()接收（调用） Fiq_get()的数，并插入B区进行排序，排序后的数仍存放在B区

要求用Fiq_get()用汇编实现，Sort()用C实现，要求利用FIQ模式和用户模式的自有寄存器实现数据传递和保存的最大效率

3、实验原理

1. ARM寄存器数据传送

 ARM通用寄存器（R0-R15）可分为三类：

（1）不分组寄存器R0-R7；

不分组寄存器R0~R7在所有处理器模式下，它们每一个都访问一样的32 位寄存器。它们是真正的通用寄存器，没有体系结构所隐含的特殊用途。

（2）分组寄存器 R8-R14；

分组寄存器R8～R14 对应的物理寄存器取决于当前的处理器模式。若要访问特定的物理寄存器而不依赖当前的处理器模式，则要使用规定的名字。寄存器R8~R12 各有两组物理寄存器：一组为FIQ 模式，另一组为除了FIQ 以外的所有模式。

寄存器R8~R12 没有任何指定的特殊用途，只是在作快速中断处理时使用。寄存器    R13，R14 各对应6 个分组的物理寄存器，1 个用于用户模式和系统模式，其它5 个分别用于5 种异常模式。寄存器R13 通常用做堆栈指针，称为SP；寄存器R14 用作    子程序链接寄存器，也称为LR。

（3）程序计数器R15。

寄存器R15 用做程序计数器 (PC)。

在本实验中，ARM 核工作在用户模式，R0~R15 可用。

   本题涉及到的汇编指令语法及规则:

ldr

ldr 伪指令将一个32 位的常数或者一个地址值读取到寄存器中。当需要读取到寄存器中的数据超过了mov 或者mnv 指令可以操作的范围时，可以使用ldr 伪指令将该数    据读取到寄存器中。在汇编编译器处理源程序时，如果该常数没有超过mov 或者mnv     可以操作的范围，则ldr 指令被这两条指令中的一条所替代，否则，该常数将被放在最    近的一个文字池内（literal pool），同时，本指令被一条基于PC 的ldr 指令替代。

语法格式：

ldr , =

其中，expression 为需要读取的32 位常数；register 为目标寄存器。

示例：

ldr r1，=0xff

ldr r0，=0xfff00000

   本题部分程序解析:

        mov        sp,#stack_top        ;堆栈头

        ldr        r0,=source                ;初值

        mov     r1,#number                ;循环次数

        ldr        r2,=reset                 ;复位置零

        LDMIA   r0!,{R4-R11}        ;将R0指向的地址单元中的数据读出到R4到R11

stmia    sp!,{r4-r11}           ;将R4到R11单元中的值压入堆栈

ldmfd    r2,{r4-r11}               ;将R2所指向单元的值读出到R4到    R11

2.ARM指令状态切换ARM/Thumb

 （1）ARM 处理器共有两种工作状态：

ARM：32 位，这种状态下执行字对准的ARM 指令；

Thumb：16 位，这种状态下执行半字对准的Thumb 指令。

在 Thumb 状态下，程序计数器PC 使用位1 选择另一个半字。

注意: ARM 和Thumb 之间状态的切换不影响处理器的模式或寄存器的内容。

ARM 处理器在两种工作状态之间可以切换。

图3-7 寄存器状态图

（2）程序状态寄存器

前一节提到的程序状态寄存器CPSR和SPSR包含了条件码标志，中断禁止位，当前处理器模式以及其他状态和控制信息。每种异常模式都有一个程序状态保存寄存器CPSR。当异常出现时，SPSR用于保留CPSR的状态。

CPSR 和SPSR 的格式如下：

1) 条件码标志：

N，Z，C，V 大多数指令可以检测这些条件码标志以决定程序指令如何执行

2) 控制位：

最低 8 位 I，F，T 和M 位用作控制位。当异常出现时改变控制位。当处理器在模式下也可以由软件改变。

●中断禁止位:I置1 则禁止IRQ中断；F置1 则禁止FIQ 中断。

●T位:T=0指示ARM 执行；T=1指示Thumb执行。在这些体系结构的系统中，可自由的使用能在ARM和Thumb状态之间切换的指令。

模式位:M0,M1,M2,M3和M4是模式位.这些位决定处理器的工作模式.如表12-1 所示。

3) 其他位

程序状态寄存器的其他位保留，用作以后的扩展。

 （3）本实验涉及到的伪操作及指令规则

Code [16|32]

code 伪操作用于选择当前汇编指令的指令集。参数16 选择Thumb 指令集，参    数32 选择ARM 指令集。

语法格式：

code[16|32] 

adr

adr 指令将基于PC 的地址值或者基于寄存器的地址值读取到寄存器中。在汇编编    译器处理源程序时，adr 伪指令被编译器替换成一条合适的指令。通常，编译器    用一条add 指令或者sub 指令来实现该伪指令的功能。如果标号超出范围或者标    号在同一文件（和同一段）内没有定义，则会产生一个错误。该指令不使用文字池    （literal pool）。

Bx{}

Bx指令实现跳转到Rn指定的地址去执行程序。若Rn的bit0为1，则跳转时自动将CPSR中的标志T置位，即把目标地址的代码解释为Thumb代码；若Rn的bit0为0，则跳转时自动将CPSR中的标志T复位，即把目标地址的代码解释为ARM代码。

   （4） 本题部分程序解析:

        adr r0,TSTART+1                ;根据CPSR值可知处于arm态，管理模式

        ldr    r2,=number_1                

        bx    r0                            ;跳转并切换为Thumb工作状态

3.ARM处理器模式转换及C与汇编混合编程

 (1) ARM 体系结构支持下表3-2 所列的7 种处理器模式。

在软件控制下可以改变模式，外部中断或异常处理也可以引起模式发生改变。

大多数应用程序在用户模式下执行。当处理器工作在用户模式时，正在执行的程序不能访问某些

被保护的系统资源，也不能改变模式，除非异常(exception)发生。这允许通过合适地编写操作系统来控制系统资源的使用。

除用户模式外的其他模式称为模式。它们可以自由的访问系统资源和改变模式。

   (2) ARM异常向量表

当正常的程序执行流程暂时挂起时，称之为异常，例如：处理一个外部的中断请求。在处理异常之前，必须保存当前的处理器状态，以便从异常程序返回时可以继续执行当前的程序。ARM 异常向量表如下:

处理器允许多个异常同时发生，这时，处理器会按照固定的顺序进行处理，参照下面的异常优先级。

高优先级：

1 ---- Reset

2 ---- Data abort

3 ---- FIQ

4 ---- IRQ

5 ---- Prefetch abort

低优先级：

6 ---- Undefined Instruction，Software interrupt

由上可见，Reset 入口，即为整个程序的实际入口点。因此，我们在编写代码的时候，第一条语句是在0x00000000 处开始执行的.

(3) 内嵌汇编语言

编译 C 时，可以通过__asm 汇编程序说明符调用内嵌汇编程序。说明符后面跟随有一列包含在大括号中的汇编程序指令。例如：

__asm

{

Instruction [; instruction]

...

[instruction]

}

如果两条指令在同一行中，必须用分号将其分隔。如果一条指令占用多行，必须用反斜线符号（\）指定续行。可在内嵌汇编语言块内的任意位置处使用C 注释。可在任何可以使用C 语句的地方使用 __asm 语句。

(4) 本题部分程序解析

          I1)工作模式切换

由于程序运行开始工作在用户模式，不能从用户模式直接切换到其他模式，必须先通过mainfunc内嵌的汇编程序swi进行软中断，从而切换到模式。再通过msr/mrs指令对CPSR的M0-M4位进行操作，切换到FIQ模式进行数据传送。

b      mainfunc                            ;

C程序：

void mainfunc()

{

     //fiqfunc();

     __asm

     {

         SWI 0

     }

     fiqfunc();

} 

tofiq

mrs r0,cpsr

    bic r0,r0,#0x1f

    orr r0,r0,#0x11                ;/* set the mode as FIQ mode */

    msr  cpsr_cxfs,r0    

数据传送之后转换成用户模式：

   mrs r0,cpsr

    bic r0,r0,#0x1f

    orr r0,r0,#0x10                ;/* set the mode as user mode */

    msr  cpsr_cxfs,r0

I2）汇编中调用c程序

  ldr        r0, =src            ;/*  A区地址传递*/

  ldr        r1, =dst            ;/*  B区地址传递*/

  b       sort                ;调用c排序

C排序程序：

void sort( const int *src,int *dest)

{

    int j,i,temp;

for(i=0;i<19;i++)

        for(j=i+1;j<20;j++)

        {

            if(dest[i]>dest[j])

            {

                temp=dest[i];dest[i]=dest[j];dest[j]=temp;

            }

        }

} 

四、实验设备

  （软、硬件）

1.pc机

2.Keil μVision3 IDE for ARM 

5、实验步骤

1）在\\Keil\\ARM\\Examples\目录下建立文件夹命名，参考3.1.5 小节实验的操作步骤建立一个新的工程，命名；

2）在Project workspace 工作区中右击target1->Source Group 1，在弹出菜单中选择“Add file to Group ‘Source’ ”，在随后弹出的文件选择对话框中，选择刚才建立的源文件；

3) 把光盘\\software\\EduKit44B0_for_MDK\\common 目录中的DebugINRam.ini 文件拷贝到\\Keil\\ARM\\Examples\\Armcode1 目录下。选择菜单项Project->Option for Target…，将弹出工程设置对话框，设置与3.1.5 小节实验中的工程配置相同。

4）选择菜单项Project ->Build target 或快捷键F7，生成目标代码；

5）选择菜单项Debug ->Start/Stop Debug Session 或快捷键 Ctrl+F5，即可进入调试模式。这里使用的是μVision3 IDE 中的软件仿真器；

6）选择菜单项Debug ->run 或F5，即可运行代码；