ARM-v7 程序计数器PC的相关指令与应用

1. 前言

        如图1所示,R14是连接寄存器(Link Register),在汇编指令中通常也写为LR,用于存储函数调用和异常等的返回信息,复位时,默认值为0xFFFFFFFF;

图1 Core register 

        R15是程序计数器(PC,Program Counter),复位后初始值为Vector Table(中断向量表)的首地址加上0x04(Reset向量),其bit[0的值为必须1,并会加载到EPSR(Execution Program Status Register)的T字段(Thumb state bit),表示处于Thumb状态。ARM-v7只支持在Thumb下执行指令,在T字段为0的情况下,执行任何指令都将导致错误或锁定。

        如下所示,向量表的首地址存放的是MSP的初始地址,偏移四字节后即是Reset_Handler,也就是说代码复位后是从Reset_Handler开始运行的。

       const pFunc __VECTOR_TABLE[256] __VECTOR_TABLE_ATTRIBUTE = {
  (pFunc)(&__INITIAL_SP),                   /*     Initial Stack Pointer */
  Reset_Handler,                            /*     Reset Handler */
  NMI_Handler,                              /* -14 NMI Handler */
  HardFault_Handler,                        /* -13 Hard Fault Handler */
  MemManage_Handler,                        /* -12 MPU Fault Handler */
  BusFault_Handler,                         /* -11 Bus Fault Handler */
  UsageFault_Handler,                       /* -10 Usage Fault Handler */
  0,                                        /*     Reserved */
  0,                                        /*     Reserved */
  0,                                        /*     Reserved */
  0,                                        /*     Reserved */
  SVC_Handler,                              /*  -5 SVCall Handler */
  DebugMon_Handler,                         /*  -4 Debug Monitor Handler */
  0,                                        /*     Reserved */
  PendSV_Handler,                           /*  -2 PendSV Handler */
  SysTick_Handler,                          /*  -1 SysTick Handler */

  /* Interrupts */
  Interrupt0_Handler,                       /*   0 Interrupt 0 */
  Interrupt1_Handler,                       /*   1 Interrupt 1 */
  Interrupt2_Handler,                       /*   2 Interrupt 2 */
  Interrupt3_Handler,                       /*   3 Interrupt 3 */
  Interrupt4_Handler,                       /*   4 Interrupt 4 */
  Interrupt5_Handler,                       /*   5 Interrupt 5 */
  Interrupt6_Handler,                       /*   6 Interrupt 6 */
  Interrupt7_Handler,                       /*   7 Interrupt 7 */
  Interrupt8_Handler,                       /*   8 Interrupt 8 */
  Interrupt9_Handler                        /*   9 Interrupt 9 */
  /* Interrupts 10 .. 255 are left out */
};

        对于PC来说,其相关的表达式或标签(label)指示着一条指令或数据的地址(目标位置),如果PC当前位置到目标位置的偏移量大的过分,编译器会报错。由于ARM-v7采用了指令流水线技术,所以读PC的返回值是当前指令地址+4,且返回值的LSB为0(Thumb指令至少半字对齐),例如:

0x1000: MOV R0, PC ; R0 = 0x1004

        具体来说:

        ①对于B、BL、CBNZ和CBZ指令,PC的值是当前指令地址加上4字节; 

        ②对于其他使用label的指令来说,PC的值是当前指令地址加上4字节,且指令执行后PC的值的bit[1]会被强制清零,以保证其值按字长(word)对齐。       

        此外,向PC中写数据,就会引起一次程序分支(不更新LR寄存器),但无论是直接写PC还是使用分支转移指令,都必须保证加载到PC的值的LSB为1,即bit[0]为1,用以表明是在Thumb状态下执行;

2.相关汇编指令

2.1 PUSH/POP

        PUSH和POP指令适用于寄存器的压栈和出栈,且必须是满减栈(full descending stack):

表1 PUSH/POP指令
PUSH <condition>  {reglist}reglist中不可包含PC(独一无二的PC不允许有影子的存在,说一不二)
POP <condition>  {reglist}reglist中不可同时包含PC和LR(既生瑜何生亮)

        其中:

        ①conditon为条件码,可选;

        ②reglist为非空寄存器列表,列表元素可以是寄存器或寄存器子列表(range,如"R0-R2"表示R0,R1,R2),如果包含多个寄存器或寄存器子列表,则以逗号分隔;

        ③reglist不可包含SP(医者不能自医啊);       

        ④当 reglist中存在PC时,则在POP指令完成时就会跳转到PC所对应的地址执行(该地址必须半字对齐);同时,PC对应出栈值的bit[0]会用来更新APSR的T字段(T-bit),且该bit的值必须为1,以指示Thumb状态;此外,如果该POP指令带有条件码,则必须是IT指令块的最后一条指令。

        通常来说,PUSH和POP会成对使用,且 在PUSH和POP的过程中,SP的值会按堆栈的使用规则自动调整。例如,如满减栈情况下,PUSH的同时SP自减,POP的同时SP递增;

        注意:在寄存器列表中,不管寄存器序列如何,汇编器都将把它们升序排序,优先 PUSH序号大的寄存器,优先 POP序号小的寄存器,例如:

PUSH {R0,R4-R7} ; Push R0,R4,R5,R6,R7 onto the stack
PUSH {R2,LR}    ; Push R2 and the link-register onto the stack
POP {R0,R6,PC}  ; Pop r0,r6 and PC from the stack, then branch to the new PC.

         这样就意味着,R0最后入栈,最先出栈,这应该也利于R0的频繁使用吧。

        值得一提的是,STMDB和LDMIA在以R13(SP)为目的寄存器时,可以达到与PUSH/POP相同的效果:

STMDB SP!, {R0-R3, LR} ;等效于 PUSH {R0-R3, LR}
LDMIA SP!, {R0-R3, PC} ;等效于 PUSH {R0-R3, PC}

 2.2 分支(branch)指令

表2 分支指令(branch instrctions)
指令跳转范围说明
B label-16MB ~ +16MB立即跳转(通过立即数或表达式)
B<cond> lable (IT指令块外)-1MB ~ +1MB立即跳转
B<cond> lable (IT指令块内)-16MB ~ +16MB立即跳转
BL{cond} label-16MB ~ +16MB立即跳转,同时将返回地址存储到LR
BX{cond} RmRm中的任意值通过寄存器间接跳转
BLX{cond} RmRm中的任意值通过寄存器间接跳转,同时将返回地址存储到LR

        其中: 

        ①由于PC的值为当前指令地址+4,着也就意味着向前跳转的范围多了4个字节;

        ②label是一个PC相关的表达式,表示要跳转到的地址;

        ③ BX 和 BLX中,Rm寄存器的值为跳转的目的地址,bit[0]指示跳转后CPU要进入的状态,且如前文所述,该值的bit[0]必须为1,生成地址时会忽略该bit(置0),如果BL和BLX指令中Rm的bit[0]不为1,则会产生一个用法错误异常(UsageFault exception);

        ④BL和BLX指令会将当前下一条指令的地址存储到LR中,以提供返回信息;

        ⑤B<cond> lable是唯一在IT指令块内外都可以使用的条件分支指令,对于其余的分支指令,在IT指令块内部必须是带条件的(IT指令块内部的指令都是条件指令),在IT指令块外则必须是无条件的;

        ⑥在IT指令块内部使用分支指令时,则该分支指令必须时IT指令块的最后一条指令;

        ⑦BLX指令中不可使用PC;

        ⑧使用 .W后缀可以拓展分支跳转范围;

3.通过PC控制程序执行

3.1通过 MOV指令

MOV PC, Rn ; branch to the address indicated in Rn

         当使用MOV指令将Rn中存储的值赋给PC时,该值的bit[0]将会被忽略,并跳转到Rn给出的地址中。此外,使用MOV指令对PC进行赋值时,MOV后不可使用S条件后缀,且Rn必须是一个没有移位的寄存器。虽然MOV指令可实现分支跳转,但BX或BLX指令更专业,移植性也更好。

3.2 通过分支指令       

B loopA     ; Branch to loopA
BLE ng      ; Conditionally branch to label ng
B.W target  ; Branch to target within 16MB range
BEQ target  ; Conditionally branch to target
BEQ.W target; Conditionally branch to target within 1MB
BL funC     ; Branch with link (Call) to function funC, return address stored in LR
BX LR       ; Return from function call
BXNE R0     ; Conditionally branch to address stored in R0
BLX R0      ; Branch with link and exchange (Call) to a address stored in R0.

3.3 通过LDR指令        

LDR PC, [Rn] ;转移地址存储在 Rn 所指向的存储器中

3.4 通过POP指令

        既然LR在子程序调用过程中的唯一用处就是存储返回地址,那就直接绕过LR,将返回地址传给PC,返回子程序调用处,例如:

push {r0-r3, lr}    ;子程序入口
pop  {r0-r3, pc}    ;子程序出口

4. PC跳转的应用

 4.1 程序加载后跳转到resetHandler

       /**************************************************************************************************
     Local Functions
    **************************************************************************************************/
    uint32 resetHandlerAddr;
    void Device_Deinit(void);
    status_t bootUpCurrentCore(uint32_t entryPoint)
    {
        /* entryPoint为中断向量表(vectortable)的首地址, vectortable[1]的地址为resetHandlerAddr */
    	resetHandlerAddr =*((uint32_t*)entryPoint+1);         

    	Device_Deinit();
    	S32_SysTick->CSRr = S32_SysTick_CSR_ENABLE(0u);
        
    	__asm("ldr r0, =resetHandlerAddr");        
    	__asm("ldr r1, [r0]");  /* r1 = *resetHandlerAddr; 即r1 = resetHandler */
    	__asm("mov pc, r1");    /* pc = resetHandler, 即跳转到resetHandler函数 */

    	return STATUS_SUCCESS;
    }

4.2 Reset_Handler函数完成系统初始化

/*----------------------------------------------------------------------------
  Reset Handler called on controller reset
*----------------------------------------------------------------------------*/
void __attribute__((naked,__noreturn__)) Reset_Handler(void)
{
  __EARLY_INIT();
  /* Stack pointer initialisation */
	__set_CONTROL(0);                       /* MSP with privilege mode*/
	__set_PSP(0);
	__set_BASEPRI(0);
  __set_MSP((uint32_t)&__INITIAL_SP);
  SystemInit();                             /* CMSIS System Initialization */

  __PROGRAM_START();                        /* Enter PreMain (C library entry point) */
}

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