ARM Cortex-A 裸机：体系结构与汇编指令全解析

学习阶段：ARM Cortex-A 裸机开发
核心目标：脱离操作系统，掌握 CPU 指令执行、寄存器管理、栈机制与程序流程控制
关键词：ARM 体系结构、RISC、汇编指令、循环、函数调用、栈操作、裸机开发

一、ARM 体系结构：不止是 CPU，更是一套完整生态

1. 系统分层与裸机开发本质

典型 ARM 系统的软硬件分层如下：

应用层（APP）→ 系统调用（SYS）→ 内核（Kernel）→ 硬件（SoC）

• 裸机开发的核心：移除 Kernel 层，程序直接运行在 SoC 硬件之上，需手动管理寄存器、栈与外设。
• SoC 的构成：CPU（Cortex-A 核心）+ 外设（GPIO、UART、PWM 等），是嵌入式系统的硬件核心。

2. 关键处理单元对比（明确开发定位）

名称	含义	核心特点	适用场景
CPU	中央处理器	通用计算能力强	所有嵌入式核心场景
MCU	微控制器	外设丰富、低功耗	单片机开发（Cortex-M 系列）
MPU	微处理器	性能强劲、需外接外设	裸机/Linux 开发（Cortex-A 系列）
SoC	系统级芯片	CPU + 外设集成一体	嵌入式量产产品
DSP	数字信号处理器	专注信号处理（滤波、编解码）	音频/视频处理

本文聚焦 Cortex-A 系列，兼具性能与扩展性，是裸机与 Linux 开发的双重基础。

3. RISC 架构：ARM 指令集的核心优势

ARM 采用 RISC（精简指令集） 设计，与 x86 的 CISC（复杂指令集）形成鲜明对比，核心优势如下：

• 指令长度固定（ARM 状态下 32bit），执行效率高；
• 采用 Load/Store 架构，仅 LDR/STR 指令可访问内存，其余指令仅操作寄存器；
• 通用寄存器数量多（r0-r15），减少内存访问频次；
• 低功耗设计，适配嵌入式移动设备与工业控制场景。

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二、ARM 寄存器体系：程序运行的“底层基石”

寄存器是 CPU 存储临时数据与状态的核心，裸机开发需熟练掌握其功能与使用规则。

1. 通用寄存器（r0-r15）

寄存器	核心作用	关键说明
r0-r3	函数参数传递、返回值存储	被调用函数可直接修改，无需保护
r4-r12	通用数据存储	被调用函数需保护（入栈/出栈），避免数据冲突
r13（SP）	栈指针寄存器	指向当前栈顶，裸机需手动初始化
r14（LR）	链接寄存器	存储函数返回地址，嵌套调用需入栈保护
r15（PC）	程序计数器	指向当前正在取指的指令地址，不可手动修改

2. 状态寄存器（CPSR/SPSR）

• CPSR（当前程序状态寄存器）：所有模式共用，存储核心状态信息：
  • 条件标志位（N/Z/C/V）：N（符号位）、Z（零值位）、C（进位位）、V（溢出位）；
  • 中断禁止位（I/F）：控制 IRQ/FIQ 中断使能；
  • 工作模式位（M[4:0]）：指定 CPU 当前工作模式（如 User、SVC、IRQ 等）。
• SPSR（备份程序状态寄存器）：仅特权模式拥有，用于异常发生时备份 CPSR，异常返回时恢复。

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三、核心汇编指令：从数据操作到流程控制

汇编指令是裸机开发的“语言”，需熟练掌握数据传送、算术逻辑、位操作、条件执行等核心指令，以下结合实操代码详解。

1. 数据传送与移位指令（MOV/LDR）

负责数据在寄存器间、寄存器与内存间的搬运，是最常用的指令类别：

; 1. 立即数/寄存器传送（MOV）
mov r1, #0x08          ; r1 = 8（立即数传送，需满足12位规则）
mov r3, r1              ; r3 = r1（寄存器间拷贝）
mov r4, r1, lsl #2      ; r1左移2位（×4）后存入r4（r4=32）
mov r4, r4, lsr #2      ; r4右移2位（÷4）后存入r4（r4=8）
mov r4, r1, ror #4      ; r1循环右移4位（8→0x80000001）

; 2. 非法立即数加载（LDR伪指令）
ldr r0, =0x1FB0         ; 0x1FB0不满足12位规则，用LDR加载大立即数

关键注意：

• 12位立即数规则：二进制展开后，需存在偶数位循环右移，使高24位全0、低8位为有效数据；
• 移位操作支持 LSL（左移）、LSR（右移）、ROR（循环右移），移位量范围 0-31。

2. 算术逻辑指令（ADD/SUB/CMP）

实现数据运算与比较，带S后缀会更新 CPSR 标志位，为条件执行提供依据：

; 1. 算术运算（ADD/SUB）
mov r0, #0xA0           ; r0 = 160
mov r1, #0x08           ; r1 = 8
add r5, r0, #1          ; r5 = 160 + 1 = 161（立即数运算）
add r6, r0, r1         ; r6 = 160 + 8 = 168（寄存器运算）
add r6, r0, r1, lsl #2  ; r6 = 160 + (8×4) = 192（移位后运算）
sub r3, r0, r1         ; r3 = 160 - 8 = 152
adds r3, r0, r1        ; 带S后缀，更新CPSR标志位（N/Z/C/V）

; 2. 比较指令（CMP）→ 本质是"减法不存结果，仅更新CPSR"
mov r0, #200
mov r1, #100
cmp r0, r1              ; 等价于 subs r0, r1（不改变r0，仅更新标志位）
movge r3, r0            ; 若r0≥r1（N=V），r3 = r0
movlt r3, r1             ; 若r0<r1（N≠V），r3 = r1

核心规则：

• 不支持两个立即数直接运算（如add r0, #3, #2非法），编译器会在编译阶段优化常量运算；
• CMP 指令是条件执行的基础，后续条件指令（movge/movlt）需依赖其更新的 CPSR 标志位。

3. 位操作指令（BIC/ORR）

用于寄存器指定位的精准控制，是硬件外设配置的核心指令：

; 1. 指定位清0（BIC：Rd = Rn & ~Operand2）
mov r0, #0xFFFFFFFF     ; r0 = 全1
bic r1, r0, #(1 << 15)  ; 第15位清0（r1 = 0xFF7FFFFF）
bic r1, r0, r2, lsl #15 ; 用寄存器移位实现清0，更灵活

; 2. 指定位置1（ORR：Rd = Rn | Operand2）
orr r4, r1, #(1 << 15)  ; 第15位置1（r4 = 0xFFFFFFFF）

应用场景：GPIO 引脚方向配置、外设寄存器位控制，精准修改目标位而不影响其他位。

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四、程序流程控制：循环与分支指令

裸机程序的流程控制依赖循环与跳转指令，需明确“循环三要素”（结束条件、推动语句、循环体），以下实现两种核心循环结构。

1. while 循环（先判断，后执行）

计算 1~1000 的累加和，适合不确定循环次数的场景：

mov r0, #1              ; 循环变量i = 1
mov r1, #0              ; 累加和sum = 0
loop_label
cmp r0, #1000           ; 判断i ≤ 1000？
bgt loop_finish         ; 若i > 1000，跳出循环
add r1, r1, r0          ; sum += i（循环体）
add r0, r0, #1          ; i++（推动循环趋向结束）
b loop_label             ; 跳回循环开头
loop_finish
b loop_finish            ; 死循环暂停（裸机程序无退出机制）

2. do-while 循环（先执行，后判断）

同样计算 1~1000 的累加和，至少执行一次循环体：

mov r0, #1              ; 循环变量i = 1
mov r1, #0              ; 累加和sum = 0
do_loop
add r1, r1, r0          ; sum += i（先执行循环体）
add r0, r0, #1          ; i++
cmp r0, #1000           ; 判断i ≤ 1000？
ble do_loop             ; 若满足条件，继续循环
loop_finish
b loop_finish

3. 跳转指令对比（B/BL/BX）

指令	核心功能	适用场景	关键区别
B	无条件跳转	循环跳转、普通分支	不保存返回地址
BL	带返回地址的跳转	函数调用	自动将返回地址存入 LR 寄存器
BX	带状态切换的跳转	函数返回、状态切换	支持 ARM/Thumb 指令集切换，bx lr=函数返回

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五、函数调用与栈机制：裸机开发的核心保障

函数调用的关键是“保护现场”与“恢复现场”，依赖 ARM 独特的栈机制，避免寄存器数据冲突与返回地址丢失。

1. ARM 栈模型：满递减栈（FD）

ARM 内核默认使用 满递减栈（STMFD/LDMFD），核心规则：

• 满栈：入栈前栈指针指向有效数据，入栈时先减栈指针（SP -= 4）再存数据；
• 减栈：栈指针从高地址向低地址生长（如栈底 0x40001000，栈顶逐渐减小）；
• 栈初始化：需用 ldr sp, =0x40001000（非法立即数需 LDR 加载），栈大小需在工程中配置（如 0x1000=4KB）。

2. 函数调用的完整流程（含嵌套调用）

（1）基础函数定义与返回

; 无参数无返回值函数
asm_fun0
mov r0, #10              ; 函数内部逻辑：r0=10, r1=20
mov r1, #20
bx lr                   ; 函数返回（LR 存储返回地址）

（2）嵌套函数调用（需保护 LR）

; 函数1：返回r0和r1的最大值，嵌套调用asm_fun0
asm_twoNumMax
cmp r0, r1              ; 比较输入参数r0和r1
movge r3, r0            ; 取最大值存入r3
movlt r3, r1

stmfd sp!, {lr}         ; 保护LR入栈（嵌套调用需避免LR被覆盖）
bl asm_fun0             ; 调用asm_fun0（LR自动更新为当前PC+4）
ldmfd sp!, {lr}         ; 恢复LR的值

bx lr                   ; 函数返回

; 主函数：初始化栈指针，调用嵌套函数
asm_main
ldr sp, =0x40001000     ; 初始化栈指针（满递减栈）
mov r0, #50             ; 函数参数1：a=50
mov r1, #20             ; 函数参数2：b=20
stmfd sp!, {r0-r12, lr} ; 保护主函数现场（寄存器+返回地址）
bl asm_twoNumMax        ; 调用嵌套函数
ldmfd sp!, {r0-r12, lr} ; 恢复主函数现场
finish
b finish                ; 死循环暂停
end

3. 函数调用的核心规则

• 参数传递：前 4 个参数通过 r0-r3 传递，超过 4 个需入栈；
• 返回值：通过 r0 传递；
• 现场保护：r4-r12 与 LR 需在嵌套调用时入栈，避免数据丢失；
• 栈对齐：调用 C 语言函数时需保证 8 字节对齐，添加 preserve8 伪指令。

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六、裸机开发避坑指南（实操关键提醒）

1. 立即数合法性：12位立即数需满足“循环右移偶数位后高24位全0”，非法立即数（如 0x1FB0）需用 ldr r0, =0x1FB0 加载；
2. 栈初始化：不可用 mov sp, #0x40001000（非法立即数），必须用 ldr sp, =0x40001000；
3. 条件指令依赖：条件执行指令（movge/movlt）需依赖前一条带 S 后缀的运算指令或 CMP 指令，否则标志位无效；
4. 函数返回规范：普通函数用 bx lr 返回，嵌套函数需先恢复 LR 再返回；
5. 裸机程序终点：无操作系统时，程序不能退出，需用死循环（b finish）、低功耗模式或等待中断结束。

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七、C 与汇编混合调用（实战扩展）

裸机开发中常需混合使用 C 与汇编，核心规则如下：

1. 汇编调用 C 函数

; 1. 导入C函数（Keil环境）
import c_add
; 2. 栈对齐伪指令（避免编译报错）
preserve8
; 3. 调用流程
asm_call_c
ldr sp, =0x40001000     ; 初始化栈
stmfd sp!, {r0-r12, lr} ; 保护现场
mov r0, #1            ; C函数参数1：a=1
mov r1, #2            ; C函数参数2：b=2
bl c_add              ; 调用C函数
ldmfd sp!, {r0-r12, lr} ; 恢复现场
bx lr

2. C 调用汇编函数

; 汇编端：导出函数
export asm_fun1
asm_fun1
add r0, r0, r1         ; 实现a+b，返回值存入r0
bx lr

// C端：声明函数
extern int asm_fun1(int a, int b);
// 调用
int main(void) {
    int res = asm_fun1(10, 20); // res = 30
    while(1);
}

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总结

ARM Cortex-A 裸机开发的核心是“寄存器操作+栈管理+指令执行”：

• 体系结构层面：理解 RISC 架构优势与 SoC 构成，明确裸机开发的定位；
• 指令层面：熟练运用数据传送、算术逻辑、位操作与跳转指令，实现基础功能；
• 流程控制层面：掌握循环与函数调用，理解栈机制对现场保护的核心作用；
• 实战层面：规避立即数、栈对齐等常见坑，实现 C 与汇编混合调用。