嵌入式系统/ARM 微处理器

ARM 架构是一种广泛使用的 32 位 RISC 处理器架构。事实上，ARM 系列约占所有 32 位 CPU 的 75%，约占所有嵌入式 32 位 CPU 的 90%。ARM 有限公司将几个流行的微处理器核心授权给许多供应商（ARM 不出售物理微处理器）。最初，ARM 代表高级精简指令集机器。

ARM 提供的一些核心

• ARM7TDMI
• ARM9
• ARM11

一些基于 ARM 的处理器的示例

• 英特尔 X-Scale（PXA-255 和 PXA-270），用于 Palm PDA
• 飞利浦 LPC2000 系列 (ARM7TDMI-S 核心)，LPC3000 系列 (ARM9 核心)
• Atmel AT91SAM7 (ARM7TDMI 核心)
• 意法半导体 STR710 (ARM7TDMI 核心)
• 飞思卡尔 MCIMX27 系列 (ARM9 核心)

最便宜的 ARM 处理器（LPC2000 系列）的价格已降至 5 美元以下，低于许多 16 位和 8 位微处理器的价格。

Thumb 调用约定

在 ARM Thumb 代码中，16 个寄存器 r0 - r15 通常在所有 ARM 代码中具有相同的角色

• r0 - r3，称为 a1 - a4：参数/临时/结果寄存器。
• r4 - r9，称为 v1 - v6：变量
• r10，称为 sl：堆栈限制
• r11，称为 fp：帧指针（通常在 Thumb 代码中不使用）
• r12，称为 ip
• r13，称为 sp：堆栈指针
• r14，称为 lr：链接寄存器
• r15，称为 pc：程序计数器

ARM Thumb 的标准 C 调用约定是：

子程序保留寄存器

当返回地址放置在 pc (r15) 中时，从子程序返回时，sp、fp、sl 和 v1-v6 寄存器必须包含与调用子程序时相同的

堆栈

每个执行环境都对堆栈在内存中下降的范围有限制——“最小 sp”。

为了让中断（可能在任何时候发生）有空间工作，在任何时刻，sp 和“最小 sp”之间的内存必须不包含对正在执行的程序

应用程序及其库支持代码负责检测和处理堆栈溢出的系统称为“显式堆栈限制”。在这样的系统中，sl 寄存器必须始终

调用者保留寄存器

子程序可以随意覆盖 a1-a4、ip 和 lr。

返回值

如果子程序返回一个不超过一个字的简单值，则该值必须在 a1 (r0) 中。

如果子程序返回一个简单的浮点值，则该值编码在 a1 中；或者 {a1, a2} 中；或者 {a1, a2, a3} 中，以

典型子程序

Thumb 函数最简单的入口和退出序列是：

an_example_Thumb_subroutine:
    PUSH {save-registers, lr} ; one-line entry sequence
    ; ... first part of function ...
    BL subroutine_name 	;Must be in a space of +/- 4 MB 
    ; ... rest of function goes here, perhaps including other function calls
    ; ...
    POP {save-registers, pc} ; one-line exit sequence

ARM 调用约定

ARM 的标准 C 调用约定由 ARM PLC 详细说明。

32 位 ARM 函数最简单的入口和退出序列与 Thumb 函数非常相似：

an_example_ARM32_subroutine:
    PUSH {r4-r11, lr} ; one-line function prologue
    ; ... first part of function ...
    BL subroutine_name 	;Must be in a space of +/- 4 MB 
    ; ... rest of function goes here, perhaps including other function calls
    ; ...
    POP {r4-r11, pc} ; one-line exit sequence (function epilogue)

使用相同指令的备用助记符，

an_example_ARM32_subroutine:
    ; Push the return address (in LR) and the work registers
    ; "store multiple registers, full descending"
    STMFD sp!,{r4-r11, lr} ; aka PUSH {r4-r11, lr}
    ; (A "sp" alone would leave the stack pointer unchanged.
    ; We must use "sp!" to update the stack pointer appropriately.)
    ; ... first part of function ...
    BL subroutine_name 	;Must be in a space of +/- 4 MB 
    ; ... rest of function goes here, perhaps including other function calls
    ; ...
    ; Pop the return address (into PC) and the work registers
    ; and return automatically.    
    ; "load multiple registers, full descending"
    LDMFD sp!,{r4-r11, pc} ; aka POP {r4-r11, pc}

BL（分支并链接）指令将返回地址存储在链接寄存器 LR（r14）中，并将程序计数器 PC（r15）加载到子程序地址。典型

子程序保留寄存器

通常，r4-r11 用于保存当前正在执行的例程的局部变量。

寄存器 r4-r11 是“子程序保留寄存器”——当子程序将返回地址放置在 pc (r15) 中时，从子程序返回时，寄存器 r4-r11

典型的子程序（如上所示）会立即将这些寄存器的值压入堆栈。这释放了 r4-r11 以保存当前正在执行的子程序的局部

优化的 ARM 编译器会保存和恢复 r4-r11 和 r14（如果有）的精确子集，这些子集实际上被该子程序修改了，因为保存和

临时寄存器

子程序可以随意覆盖 r0-r3、r12 和链接寄存器 lr (r14)。

前四个寄存器 r0-r3 用于将参数值传递给子程序，并从函数返回结果值。

混合 ARM32 和 Thumb 调用

使用 BL 指令可以轻松进行正常的函数调用。一个人输入

    BL destination_subroutine

汇编器和链接器会自动执行“正确的事情” - 插入适当的（32 位长）ARM32 BL 指令用于 ARM32 到 ARM32 或 ARM32 到 Thumb 的调用，或插入适当的（32 位长） Thumb BL 指令用于 Thumb 到 Thumb 或 Thumb 到 ARM32 的指令。

（一些混合调用和一些长分支需要链接器插入代码，用临时值覆盖 scratch register r12。 链接器究竟是如何做到的可能会令人困惑，尤其是在混合使用 BX 和 BLX 指令时。）

进一步阅读

• 嵌入式系统/汇编语言
• Embedded_Systems/Mixed_C_and_Assembly_Programming#ARM
• ARM 微控制器维基
• "ARM 概述" 位于 OS Dev 维基
• ARM 汇编语言速览
• GCC ARM 改进项目 位于塞格德大学
• ARM Linux 项目：适用于所有基于 ARM 的机器的 Linux
• ARM
• ARM 开发人员讨论论坛
• ARM Cortex-M3 技术参考手册
• ARM 汇编器 由 Richard Murray 提供