裸机开发之汇编、寄存器

一、什么是汇编？为什么学汇编？

        在之前写控制代码的时候就在想：底层是怎么控制的？后来经过学习知道之前所编写的代码都是应用层代码，顾名思义就是在系统写好的底层之上调用系统函数。原以为底层是指写系统写好的底层函数，类似于写linux系统函数read、open、close之类的函数。但是再往下挖：read、open这类函数的下一层是什么？经过系统性查资料，总结了下面的流程：

         从上面的图可以知晓：linux系统所提供的IO函数属于应用层，并未涉及到最底层。open、read等函数通过file_operation结构体去调用驱动程序中的自定义的接口函数。所说的写驱动就是写自定义的device_open()、device_close()、device_write()、device_read()、device_ioctl()函数这些名字随便起。

1.1 那么这些自己编写的驱动函数是如何写入硬件设备中？

        众所周知机器所能识别的只有0和1二进制码，如果想要写入硬件设备，就要转换成二进制码写给机械。那么就又引入一个问题：

我们所写的C语言代码，怎么转换成二进制码？转换成机械识别的指令？

      提一下C语言编译流程：.c---->.i----->.s------>.o-------->二进制

 1.2 由此引入汇编指令：

        汇编语言是直接与机器打交道的，机器只能读懂二进制码，在不同的设备中，汇编语言对应着不同的机器语言指令集，通过汇编过程转换成机器指令。汇编语言是面向机器的，处于整个计算机语言层次结构的底层，故被视为一种低级语言。从上面的图可知，预处理部分是将程序中所引用的文件打开，汇编部分是将C语言转换成可被机器识别的代码，针对CPU中的寄存器进行操作。

        汇编是一种语言，和C语言一样，有自己的编写方式，不过指令个人感觉有点难懂。

知道汇编是什么了，但还是没有解决问题：使用汇编写入硬件设备，但是写进硬件设备的哪里去了？至此引入最重要的一块：寄存器。

 二、寄存器

2.1 为什么要用寄存器？

        一块成熟的板子笼统分两部分：CPU和内存，使用流程是从CPU从内存中搬出来数据使用（大致如此）。

        CPU 本身只负责运算，不负责储存数据。数据一般都储存在内存之中，CPU 要用的时候就去内存读写数据。但是，CPU 的运算速度远高于内存的读写速度，为了避免被拖慢，CPU 都自带一级缓存和二级缓存。（CPU 缓存可以看作是读写速度较快的内存。）

        CPU缓存还不够快，并且数据在缓存的地址不固定，导致CPU每次读写都会拖慢速度。因此，CPU还自带寄存器：用来储存最常用的数据。也就是说，那些最频繁读写的数据（比如循环变量），都会放在寄存器里面，CPU 优先读写寄存器，再由寄存器跟内存交换数据。

        寄存器不依靠地址区分数据，而依靠名称。每一个寄存器都有自己的名称，我们告诉 CPU 去具体的哪一个寄存器拿数据，这样的速度是最快的。有人比喻寄存器是 CPU 的零级缓存。

        总结一下就是寄存器是CPU用来存储频繁读写的数据（变量之类的）

        比如硬件有个固定地址0x300000，那么想要往这个地址里面写东西的时候，就需要将地址先暂存在寄存中使用。

下面说一下寄存器种类

2.2 寄存器种类

参考文档：ARM寄存器组织（常见专用寄存器、控制寄存器CPSR）_arm cpsr-CSDN博客

        寄存器分为三种：通用寄存器、专用寄存器(有特定的用途和功能，只能存放指定内容的寄存器。常见的有sp、lr、pc寄存器)、控制寄存器CPSR。

2.2.1 通用寄存器

没有指定用途，可以存放任意内容的寄存器，既可以存放地址，也可以存放参与运算的数据或者运算产生的结果。在上图中：除去FIQ模式下，r0-r12是通用寄存器。

2.2.2 栈指针寄存器 r13 SP

栈指针，用于存储当前模式下的栈顶地址。假设现在CPU要将运算结果保存到栈上，这个时候SP寄存器就会告诉CPU栈顶的位置在哪，保存完毕以后，SP指向的地址会更新。

2.2.3 链接寄存器 r14 LR

链接寄存器，也是保存指令地址，一般是发生跳转的时候，事先保存跳转指令下一条指令的地址，一般有两种用途：

1、调用函数发生跳转

        假设main函数在执行程序的时候，需要调用函数func()，这个时候会跳转到func() 函数的定义。由于执行完func()函数以后还要继续运行main函数，在跳转之前LR寄存器会保存func()函数下一条指令的地址，也就是printf函数的地址。在执行完func函数以后，只需要让PC = LR 就可以回到func()函数下一条指令的地址。

2、异常发生（产生中断）

        产生异常时，异常模式下的LR会自动保存被异常打断的指令的下一条指令的地址。（也可以理解成是一种函数跳转）。比如CPU正在忙手里的任务，突然收到了网卡发来的信号，CPU就会进入FIQ或者IRQ模式，此时CPU就会停下手里的任务，转而先去执行异常处理程序。异常处理结束后将LR的值复制到PC可实现程序返回。

        没有哪个寄存器可以检测异常产生，因为能检测的就不是异常产生了。产生异常的时候LR默认自动保存下一条指令的地址，处理完异常情况再返回。

        异常情况时要在PC特定位置执行相应错误处理，由于偏移量（地址）是固定死的。所以当发生异常情况时，会自动跳转到该异常情况的地址执行处理异常，但PC寄存器是一条指令4字节并且是按照下面的顺序存放的（系统要求给的，只能这么写）。无法在此处处理异常，因为处理异常肯定不止一条指令，所以这里指的都是b跳转到相应标签位置处理异常

 异常的8种情况，这个需要在汇编启动代码中写出来，否则无法正常运行程序：

• 通常说的异常主要来自cpu内部，abort，reset等；而中断主要来自外设。

• 从高到低的顺序依次为:Reset，Ｄata Abort, FIQ, IRQ,Prefetch Abort,SWI(软中断)，undefined Instruction　

  • 高优先级的异常会终止底先级的异常

上面的异常向量表在代码中的体现

• • 

2.2.4 程序指针寄存器 r15 PC

        程序计数器，用于存储当前取址指令的地址。我们写的程序在经过预处理、编译、汇编以后，得到的二进制机器码就是指令。这些指令是被保存在内存中的，CPU接下来要执行哪一条指令都是由PC控制的。

        我们写程序时的逻辑是顺序执行，那么CPU在执行指令的时候也是如此，在ARM状态下，每一条指令都占4个字节，所以每执行完一条指令，PC的值会自动自增4个字节（地址自增4字节），为下一次取指令做准备

2.2.5 控制寄存器 CPSR

CPSR很重要，该寄存器里面的每个位都代表了各自含义，下图有一些说明

 举个例子：比如在进行加法运算的时候，CPSR的C位（进位）会变化

 adc：要计算十进制 3389+443 ，但是只会计算和记录两位数，于是先计算了 89+43=132 ，但是你只能记住两位数，所以记下了 32，然后把进位出的1扔进了CF 暂存;然后再计算 33+4=37 ，顺便加上 CF 的进位得到 38，跟刚才的 32 组合起来得到结果3832

 相对值得注意的是工作模式，由于板子在运行程序的时候肯定会遇到各种情况，那么其应对各种情况也是有不同的工作模式。ARM总共有7个基本工作模式：

那么体现在CPSR中MODE位，不同的编码值对应不同的模式

2.3 异常处理流程

 上面说完寄存器的种类后，那么他工作的流程顺序是如何的？

在没有异常的时候，也是按照C语言执行顺序一样，按顺序执行，遇到特殊标记跳转。

在有异常的时候，那么就需要对一些寄存器进行配置，流程如下图：

三、总结

       简单了解完寄存器之后，那么可以解决第一个问题：为什么使用汇编？

1. 汇编语言的大部分语句直接对应着机器指令，执行速度快，效率高，代码体积小

2. 在系统程序的核心部分，以及与系统硬件频繁打交道的部分，可以使用汇编语言。比如操作系统的核心程序段。

缺点：

1. 不同的处理器有不同的汇编语言语法和编译器，编译的程序无法在不同的处理器上执行，缺乏可移植性

2. 难懂且工作量大

        C语言与汇编是可以交叉使用的，C语言的好处是易懂，但是要相对寄存器直接操作是很复杂的，不如汇编直接了当，毕竟汇编指令是直接操作寄存器的，可以简单了解一些汇编指令。

        自己总结的一个图，简单一点，可能具体情况也会更复杂。

        写的文章可能还会存在缺陷，我自己是这么理解的，参考了其他博主一些文章，文章内容觉得写得好就引用了一些，勿怪勿怪。关于汇编和寄存器，弄懂就好