本文主要是介绍【机器学习智能硬件开发全解】（六）—— 政安晨：通过ARM-Linux掌握基本技能【认知准备：体系结构与汇编指令】，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
ARM-Linux体系是指基于ARM架构的Linux操作系统体系，其它常见的体系还有x86-Linux体系等。ARM架构是一种常用于移动设备和嵌入式系统的处理器架构，如手机、平板电脑、智能手表等都广泛使用ARM处理器。
ARM-Linux体系基于Linux开源操作系统，并针对ARM架构进行了优化和适配。它包括了Linux内核和一系列基于Linux的工具和库，提供了完整的操作系统功能和开发环境，可以运行在各种ARM架构的设备上。
ARM-Linux体系具有以下特点：
- 轻量化：ARM-Linux体系针对嵌入式设备进行了优化，具有较小的内存和存储需求，可以运行在资源受限的设备上。
- 开源：ARM-Linux体系基于Linux开源操作系统，具有强大的社区支持和生态系统，开发者可以通过共享和交流获得更多资源和技术支持。
- 易于开发：ARM-Linux提供了完善的开发工具链和开发环境，开发者可以使用C/C++等常用编程语言进行开发，并且可以方便地移植和调试应用程序。
- 广泛应用：ARM架构在移动设备、智能家居、工业控制、自动驾驶等领域具有广泛应用，ARM-Linux体系可以满足各种不同应用场景的需求。
总结起来，ARM-Linux体系是一种适用于ARM架构设备的Linux操作系统体系，具有轻量化、开源、易于开发和广泛应用等特点。它为开发者提供了一个强大的开发平台，可以快速构建和部署各种ARM设备上的应用程序。
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在嵌入式开发领域，ARM架构的处理器占了80%以上的市场份额，大多数人学习嵌入式都是从ARM开始的。
目标：
一是以ARM汇编指令为媒介，深入了解ARM体系结构和工作流程；
二是掌握ARM汇编程序的编写技巧，能看懂反汇编代码，为后面基于C语言的ARM-Linux人工智能编程实践打下基础。
基于这个现实背景，咱们这篇文章将带领大家在了解ARM体系结构的基础上，学习一下ARM常用的一些汇编指令。
ARM体系结构
计算机的指令集一般可分为4种：
复杂指令集（CISC）、
精简指令集（RISC）、
显式并行指令集（EPIC）、
超长指令字指令集（VLIW）。
我们在嵌入式学习和工作中需要经常打交道的是RISC指令集。
RISC指令集相对于CISC指令集，主要有以下特点：
● Load/Store架构，CPU不能直接处理内存中的数据，要先将内存中的数据Load（加载）到寄存器中才能操作，然后将处理结果Store（存储）到内存中。
● 固定的指令长度、单周期指令。
● 倾向于使用更多的寄存器来存储数据，而不是使用内存中的堆栈，效率更高。
ARM指令集虽然属于RISC，但是和原汁原味的RISC相比，还是有一些差异的，具体如下。
ARM指令集虽然属于RISC，但是和原汁原味的RISC相比，还是有一些差异的，具体如下：
● ARM有桶型移位寄存器，单周期内可以完成数据的各种移位操作。
● 并不是所有的ARM指令都是单周期的。
● ARM有16位的Thumb指令集，是32位ARM指令集的压缩形式，提高了代码密度。
● 条件执行：通过指令组合，减少了分支指令数目，提高了代码密度。
● 增加了DSP、SIMD/NEON等指令。
ARM处理器有多种工作模式，如下表所示：
（ARM处理器的不同工作模式）
应用程序正常运行时，ARM处理器工作在用户模式（User mode），当程序运行出错或有中断发生时，ARM处理器就会切换到对应的特权工作模式。用户模式属于普通模式，有些特权指令是运行不了的，需要切换到特权模式下才能运行。在ARM处理器中，除了用户模式是普通模式，剩下的几种工作模式都属于特权模式。
为了保证计算机能长期安全稳定地运行，CPU提供了多种工作模式和权限管理。应用程序正常运行时，处理器处于普通模式，没有权限对内存和底层硬件进行操作。应用程序如果要读写磁盘上的音频数据，驱动声卡播放音乐，往屏幕写数据显示歌词，则要首先通过系统调用或软中断进入处理器特权模式，运行操作系统内核或硬件驱动代码，才能对底层的硬件设备进行读写操作。
在ARM处理器内部，除了基本的算术运算单元、逻辑运算单元、浮点运算单元和控制单元，还有一系列寄存器，包括各种通用寄存器、状态寄存器、控制寄存器，用来控制处理器的运行，保存程序运行时的各种状态和临时结果，如下图所示（ARM处理器中的寄存器）：
ARM处理器中的寄存器可分为通用寄存器和专用寄存器两种。
寄存器R0～R12属于通用寄存器，除了FIQ工作模式，在其他工作模式下这些寄存器都是共用、共享的：R0～R3通常用来传递函数参数，R4～R11用来保存程序运算的中间结果或函数的局部变量等，R12常用来作为函数调用过程中的临时寄存器。
ARM处理器有多种工作模式，除了这些在各个模式下通用的寄存器，还有一些寄存器在各自的工作模式下是独立存在的：
如R13、R14、R15、CPSP、SPSR寄存器，在每个工作模式下都有自己单独的寄存器。
R13寄存器又称为堆栈指针寄存器（Stack Pointer，SP），用来维护和管理函数调用过程中的栈帧变化，R13总是指向当前正在运行的函数的栈帧，一般不能再用作其他用途。
R14寄存器又称为链接寄存器（Link Register，LR），在函数调用过程中主要用来保存上一级函数调用者的返回地址。
寄存器R15又称为程序计数器（Program Counter，PC），CPU从内存取指令执行，就是默认从PC保存的地址中取的，每取一次指令，PC寄存器的地址值自动增加。CPU一条一条不停地取指令，程序也就源源不断地一直运行下去。在ARM三级流水线中，PC指针的值等于当前正在运行的指令地址+8，后续的32位处理器虽然流水线的级数不断增加，但为了简化编程，PC指针的值继续延续了这种计算方式。
当前处理器状态寄存器（Current Processor State Register，CPSR）主要用来表征当前处理器的运行状态。除了各种状态位、标志位，CPSR寄存器里也有一些控制位，用来切换处理器的工作模式和中断使能控制。CPSR寄存器各个标志位、控制位的详细说明如下图所示：
（CPSR寄存器的标志位、控制位的详细说明）
在每种工作模式下，都有一个单独的程序状态保存寄存器（Saved Processor State Register，SPSR）。
当ARM处理器切换工作模式或发生异常时，SPSR用来保存当前工作模式下的处理器现场，即将CPSR寄存器的值保存到当前工作模式下的SPSR寄存器。
当ARM处理器从异常返回时，就可以从SPSR寄存器中恢复原先的处理器状态，切换到原来的工作模式继续运行。
在ARM所有的工作模式中，有一种工作模式比较特殊，即FIQ模式。为了快速响应中断，减少中断现场保护带来的时间开销，在FIQ工作模式下，ARM处理器有自己独享的R8～R12寄存器。
ARM汇编指令
咱们接下来了解一些ARM常用的汇编指令。
如存储器访问指令、数据传送指令、算术逻辑运算指令、跳转指令等。
一个完整的ARM指令通常由操作码+操作数组成，指令的编码格式如下：
这是一个完整的ARM指令需要遵循的格式规则，指令格式的具体说明如下：
● 使用<>标起来的是必选项，使用{}标起来的是可选项。
● <opcode>是二进制机器指令的操作码助记符，如MOV、ADD这些汇编指令都是操作码的指令助记符。
● cond：执行条件，ARM为减少分支跳转指令个数，允许类似BEQ、BNE等形式的组合指令。
● S：是否影响CPSR寄存器中的标志位，如SUBS指令会影响CPSR寄存器中的N、Z、C、V标志位，而SUB指令不会。
● Rd：目标寄存器。
● Rn：第一个操作数的寄存器。
● operand2：第二个可选操作数，灵活使用第二个操作数可以提高代码效率。
在熟悉了ARM指令的基本格式后，我们接下来就开始了解ARM常用的一些汇编指令：
存储访问指令
ARM指令集属于RISC指令集，RISC处理器采用典型的加载/存储体系结构，CPU无法对内存里的数据直接操作，只能通过Load/Store指令来实现：
当我们需要对内存中的数据进行操作时，要首先将这个数据从内存加载到寄存器，然后在寄存器中对数据进行处理，最后将结果重新存储到内存中。ARM处理器属于冯·诺依曼架构，程序和数据都存储在同一存储器上，内存空间和I/O空间统一编址，ARM处理器对程序指令、数据、I/O空间中外设寄存器的访问都要通过Load/Store指令来完成。
ARM处理器中经常使用的Load/Store指令的使用方法如下：
在ARM存储访问指令中，我们经常使用的是LDR/STR、LDM/STM这两对指令。
LDR/STR指令是ARM汇编程序中使用频率最高的一对指令，每一次数据的处理基本上都离不开它们。LDM/STM指令常用来加载或存储一组寄存器到一片连续的内存，通过和堆栈格式符组合使用，LDM/STM指令还可以用来模拟堆栈操作。
LDM/STM指令常和下表的堆栈格式组合使用：
（不同类型的堆栈）
如下图所示：
在一个堆栈内存结构中，如果堆栈指针SP总是指向栈顶元素，那么这个栈就是满栈；如果堆栈指针SP指向的是栈顶元素的下一个空闲的存储单元，那么这个栈就是空栈。
每入栈一个元素，栈指针SP都会往栈增长的方向移动一个存储单元：
如果栈指针SP从高地址往低地址移动，那么这个栈就是递减栈；
如果栈指针SP从低地址往高地址移动，那么这个栈就是递增栈。
ARM处理器使用的一般都是满递减堆栈，在将一组寄存器入栈，或者从栈中弹出一组寄存器时，我们可以使用下面的指令。
这里需要注意的一个细节是，在入栈和出栈过程中要留意栈中各个元素的入栈出栈顺序。
栈的特点是先入后出（First In Last Out，FILO），栈元素在入栈操作时，STMFD会根据大括号{}中寄存器列表中各个寄存器的顺序，从左往右依次压入堆栈。在上面的例子中，R0会先入栈，接着R1、R2入栈，最后R14入栈，入栈操作完成后，栈指针SP在内存中的位置如下图左侧所示：
栈元素在出栈操作时，顺序刚好相反，栈中的元素先弹出到R14寄存器中，接着是R2、R1、R0。将栈中的元素依次弹出到R14、R2寄存器后，堆栈指针在内存中的位置如上图右侧所示。
除此之外，ARM还专门提供了PUSH和POP指令来执行栈元素的入栈和出栈操作。PUSH和POP指令的使用方法如下：
数据传送指令
LDR/STR指令用来在寄存器和内存之间输送数据。如果我们想要在寄存器之间传送数据，则可以使用MOV指令。MOV指令的格式如下：
其中，{cond}为条件指令可选项，{S}用来表示是否影响CPSR寄存器的值，如MOVS指令就会影响寄存器CPSR的值，而MOV则不会。
MVN指令用来将操作数operand2按位取反后传送到目标寄存器Rd。
操作数operand2可以是一个立即数，也可以是一个寄存器。
MOV和MVN指令的一般使用方法如下：
算术逻辑运算指令
算术运算指令包括基本的加、减、乘、除，逻辑运算指令包括与、或、非、异或、清除等。
指令格式如下：
算术逻辑运算指令的基本使用方法及说明如下：
操作数：operand2详解
ARM指令的可选项很多，操作数也很灵活。
很多ARM指令会使用第二个参数operand2：可以是一个常数，也可以是寄存器+偏移的形式。操作数operand2在汇编程序中经常出现的两种格式如下。
第一种格式比较简单，操作数是一个立即数，第二种格式可以直接使用寄存器的值作为操作数。
在咱们刚才的ADD、SUB、AND指令示例中，第二个操作数要么是一个常数，要么是一个寄存器。在第二种格式中，通过{，shift}可选项，我们还可以通过多种移位或循环移位的方式，构建更加灵活的操作数。
可选项{，shift}可以选择的移位方式如下：
可选性指令的使用示例及说明如下：
比较指令
比较指令用来比较两个数的大小，或比较两个数是否相等。
比较指令的运算结果会影响CPSR寄存器的N、Z、C、V标志位，具体的标志位说明可参考前面的CPSR寄存器介绍。
比较指令的格式如下：
比较指令的使用示例及说明如下：
比较指令的运行结果Z=1时，表示运算结果为零，两个数相等；
N=1表示运算结果为负，N=0表示运算结果为非负，即运算结果为正或者为零。
条件执行指令
为了提高代码密度，减少ARM指令的数量，几乎所有的ARM指令都可以根据CPSR寄存器中的标志位，通过指令组合实现条件执行。
如无条件跳转指令B，我们可以在后面加上条件码组成BEQ、BNE组合指令。
BEQ指令表示两个数比较，结果相等时跳转；
BNE指令则表示结果不相等时跳转。
CPSR寄存器中的标志位根据需要可以任意搭配成不同的条件码，和ARM指令一起组合使用。ARM指令的条件码如下表所示（ ARM指令的条件码）：
条件执行经常出现在跳转或循环的程序结构中。
如下面的汇编程序，通过循环结构，我们可以实现数据块的搬运功能。我们可以将无条件跳转指令B和条件码NE组合在一起使用，构成一个循环程序结构。
跳转指令
在函数调用的场合，以及循环结构、分支结构的程序中经常会用到跳转指令。
ARM指令集提供了B、BL、BX、BLX等跳转指令，每个指令都有各自的用武之地和使用场景。跳转指令的格式如下。
1.B label
跳转到标号label处，B跳转指令的跳转范围大小为[0，32MB]，可以往前跳，也可以往后跳。
无条件跳转指令B主要用在循环、分支结构的汇编程序中，使用示例如下：
2.BL label
BL跳转指令表示带链接的跳转。
在跳转之前，BL指令会先将当前指令的下一条指令地址（即返回地址）保存到LR寄存器中，然后跳转到label处执行。
BL指令一般用在函数调用的场合，主函数在跳转到子函数执行之前，会先将返回地址，即当前跳转指令的下一条指令地址保存到LR寄存器中；
子函数执行结束后，LR寄存器中的地址被赋值给PC，处理器就可以返回到原来的主函数中继续运行了。
3.BX Rm
BX表示带状态切换的跳转。Rm寄存器中保存的是跳转地址，要跳转的目标地址处可能是ARM指令，也可能是Thumb指令。
处理器根据Rm[0]位决定是切换到ARM状态还是切换到Thumb状态。
● 0：表示目标地址处是ARM指令，在跳转之前要先切换至ARM状态。
● 1：表示目标地址处是Thumb指令，在跳转之前要先切换至Thumb状态。
BLX指令是BL指令和BX指令的综合，表示带链接和状态切换的跳转，使用方法和上面相同。
我们对ARM体系结构与汇编指令有个基本认知即可，未来咱们会在实践中，从更高层次来理解。
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