嵌入式ARM设计编程(四) ARM启动过程控制
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一、实验目的
(1) 掌握建立基本完整的ARM 工程,包含启动代码,C语言程序等;
(2) 了解ARM启动过程,学会编写简单的C 语言程序和汇编启动代码并进行调试;
(3) 掌握如何指定代码入口地址与入口点;
(4) 掌握通过memory/register/watch/variable 窗口分析判断结果。
二、实验环境
硬件:PC机。
软件:ADS1.2 集成开发环境
三、实验内容
使用汇编语言编写初始化程序,并引导至C语言main函数,用汇编语言编写延时函数实现毫秒级的延时,在C语言中调用延时函数,实现1s钟定时。
四、实验要求
(1) 在ADS下创建一个工程armasmc,编写3个文件,如下图所示:
其中一个初始化汇编语言文件Init.s,该文件中主要完成异常矢量表的建立,模式堆栈初始化,并将程序引导至C语言的main函数。
C语言程序保存为armasmc.c。 C语言中调用汇编语言文件delay.s中的毫秒延时程序delayxms,C语言将延时的毫秒数通过参数传递到汇编语言,汇编语言完成延时,然后返回C语言函数。
通过AXD运用单步执行方式调试程序。观察程序执行过程中的寄存器及存储器的变化情况。
(2)实验过程中请记录并思考以下内容:
1)如何建立异常矢量入口表?
2)如何在汇编语言中切换至C语言的main函数?。
3)如何在C语言中调用汇编语言函数,并完成参数传递?
4)汇编语言函数中用到的寄存器如何保护与恢复,为什么要保护参考程序中的R11?
5)将delay.s中的R11改成R4,并将两条R11 的保护与恢复语句stmfd sp!,{r11} 和ldmfd sp!,{r11}删掉,在C语言程序中的语句i–处设置端点,观察运行过程中变量i的变化情况,并解释其中的原因。
五、实验情况:
1、实验源代码(含注释):
Init.s代码:
;************************ entry.s ****************************IMPORT Main ;在汇编程序调用该c程序前要在汇编语言程序中使用IMPORT伪操作来声明该c程序area Init,code,readonly ;定义CODE片段Init 只读 entry ;设置程序入口伪指令code32 ;以下为32位的ARM程序
; *********** Setup interrupt/exception vector *******************
start b Reset_Handler ;异常矢量表,根据异常矢量表进入不同模式的中断程序
Undefined_Handler b Undefined_Handler
SWI_Handler b SWI_Handler
Prefetch_handler b Prefetch_handler
Abort_Handler b Abort_Handlernop ;Reserved vector
IRQ_Handler b IRQ_Handler
FIQ_Handler b FIQ_HandlerReset_Handler ;Reset中断,为整个中断的实际入口点 bl initstack ;初始化各模式下的堆栈指针;切换至用户模式堆 msr cpsr_c,#0xd0 ;110 10000bl Mainhalt b haltinitstack mov r0,lr ;r0<--lr,因为各种模式下r0是相同的而各个模式? ;设置管理模式堆栈msr cpsr_c,#0xd3 ;110 10011 ldr sp,stacksvc;设置中断模式堆栈msr cpsr_c,#0xd2 ;110 10010ldr sp,stackirq ;设置快速中断模式堆栈msr cpsr_c,#0xd1 ;110 10001ldr sp,stackfiq;设置中止模式堆栈 msr cpsr_c,#0xd7 ;110 10111ldr sp,stackabt;设置未定义模式堆栈 msr cpsr_c,#0xdb ;110 11011ldr sp,stackund;设置系统模式堆栈 msr cpsr_c,#0xdf ;110 11111ldr sp,stackusrmov pc,r0 ;返回LTORG stackusr dcd usrstackspace+128
stacksvc dcd svcstackspace+128
stackirq dcd irqstackspace+128
stackfiq dcd fiqstackspace+128
stackabt dcd abtstackspace+128
stackund dcd undstackspace+128area Interrupt,data,READWRITE ;分配堆栈空间
usrstackspace space 128
svcstackspace space 128
irqstackspace space 128
fiqstackspace space 128
abtstackspace space 128
undstackspace space 128end
delay.s代码:
;************************* delay.s *****************************EXPORT delayxms ;EXPORT伪指令用于在程序中声明一个全局的标号,该标号可在其他的文件中引用area delay,code,readonly ;定义code片段delay只读code32 ;以下为32位的ARM程序;下面是延时若干ms的子程序
delayxmsstmfd sp!,{r11} ; 寄存器入栈sub r0,r0,#1 ;r0=r0-1ldr r11,=1000 ;加载至r11中
loop2sub r11,r11,#1 ;每次将r11自减一cmp r11,#0x0 ;将r11与0比较bne loop2 ;比较的结果不为0,则继续调用loop2 cmp r0,#0x0 ;将r0与0比较bne delayxms ;比较的结果不为0,则继续调用delayxmsldmfd sp!,{r11};mov pc,lr;返回end
armasmc.c代码:
//*************************armasmc.c******************************
#include <stdio.h>
int Main()
{ extern void delayxms(int xms); //在C程序调用汇编程序之前需要在C语言程序中使用extern关键词来声明该汇编程序int i=100;while(1){delayxms(1000); // 调用delayxms汇编程序i--;if(i==0)i=100;}return 0;
}
2、实验过程(含结果截图及相应文字解释):
1.如何建立异常矢量入口表?
答:建立异常矢量入口表需要设置中断类型号,并且要设置中断服务子程序段地址,以根据异常矢量表进入不同模式的中断程序。在实验程序中也有定义:
2.如何在汇编语言中切换至C语言的main函数?
答:由上代码可知,为保证程序调用时参数的正确传递,汇编程序设计要遵守ATPCS(ARM-Thumb Produce Call Standard),它是ARM程序和Thumb程序中子程序调用的基本规则,目的是为了使单独编译的C语言程序和汇编程序之间能够相互调用。这些基本规则包括子程序调用过程中寄存器的使用规则、数据栈的使用规则和参数的传递规则。在C程序中不需要任何关键字来声明将被汇编语言调用的C程序,但需要在汇编语言程序之前使用IMPORT伪操作来声明该C程序。在汇编程序中通过BL指令来调用子程序。同时,汇编程序可以通过地址间接访问在C语言程序中声明的全局变量。通过使用IMPORT关键词引入全局变量,并利用LDR和STR指令根据全局变量的地址可以访问它们。
3.如何在C语言中调用汇编语言函数,并完成参数传递?
答:为了保证程序调用时参数的正确传递,汇编程序设计要遵守ATPCS。在汇编程序中需要使用EXPORT伪操作来声明,同时,在C程序中调用该汇编程序之前需要在C语言程序中使用extern关键词来声明该汇编程序。
4.汇编语言函数中用到的寄存器如何保护与恢复,为什么要保护参考程序中的R11?
答:汇编语言函数中用到的寄存器通过压栈来保护,出栈来恢复。根据ATPCS规则,R11对应ARM 状态局部变量寄存器8,R11中含有循环次数的重要参量,因此要保护R11避免在程序运行与调用过程中受到影响而导致程序异常。
5.将delay.s中的R11改成R4,并将两条R11 的保护与恢复语句stmfd sp!,{r11} 和ldmfd sp!,{r11}删掉,在C语言程序中的语句i–处设置端点,观察运行过程中变量i的变化情况,并解释其中的原因。
修改程序如下:
答:由上可知R4对应局部变量寄存器1,即变量i,因此在子程序delay.s中,R4的值减为0,若不进行保护,则返回C程序后自减-1,导致变量i的值变为-1,此时将无法满足0的条件,也就无法执行if,导致i会一直递减下去,最终无法停止。
六、总结
本次有关汇编与C语言相互调用的部分,建立异常矢量入口表的方法,即需要设置中断类型号,并且要设置中断服务子程序段地址,以根据异常矢量表进入不同模式的中断程序。此外,还有ARM程序和Thumb程序中子程序调用的基本规则ATPCS(ARM-Thumb Produce Call Standard),目的是为了使单独编译的C语言程序和汇编程序之间能够相互调用。这些基本规则包括子程序调用过程中寄存器的使用规则、数据栈的使用规则和参数的传递规则,为调用提供了相关的规范。其中汇编程序访问全局C变量的方法是:汇编程序可以通过地址间接访问在C语言程序中声明的全局变量。通过使用IMPORT关键词引入全局变量,并利用LDR和STR指令根据全局变量的地址可以访问它们。在C语言程序中调用汇编程序的方法是:在汇编程序中需要使用EXPORT伪操作来声明,使得本程序可以被其它程序调用。同时,在C程序调用该汇编程序之前需要在C语言程序中使用extern关键词来声明该汇编程序。而在汇编程序中调用C语言程序的方法是:在C程序中不需要使用任何关键字来声明将被汇编语言调用的C程序,但是在汇编程序调用该C程序之前需要在汇编语言程序中使用IMPORT伪操作来声明该C程序。在汇编程序中通过BL指令来调用子程序。
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