ARM体系结构与编程（第2版）

ARM处理器是一种16/32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微处理器，由ARM公司设计，然后授权给各半导体厂商生产，它目前已经成为应用最为广泛的嵌入式处理器。《ARM体系结构与编程（第2版）》共为分14章，对ARM处理器的体系结构、指令系统和开发工具进行了比较全面的介绍。其中包括ARM体系、ARM程序设计模型、ARM汇编语言程序设计、ARM C/C++语言程序设计、ARM连接器的使用、ARM集成开发环境CodeWarrior IDE的介绍及高性能的调试工具ADW的使用。并在此基础上介绍一些典型的基于ARM体系的嵌入式应用系统设计的基本技术。通过阅读本书，可以使读者掌握开发基于ARM的应用系统的各方面的知识。本书既可作为学习ARM技术的培训材料，也可作为嵌入式系统开发人员的参考手册。

第1章 ARM概述及其基本编程模型 1

1.1 ARM技术的应用领域及其特点 1

1.2 ARM体系结构的版本及命名方法 2

1.3 ARM处理器系列 7

1.4 ARM处理器的运行模式 11

1.5 ARM寄存器介绍 11

1.6 ARM体系的异常中断 17

1.7 ARM体系中的存储系统 19

第2章 ARM指令分类及其寻址方式 22

2.1 ARM指令集概要介绍 22

2.2 ARM指令的寻址方式 24

第3章 ARM指令集介绍 61

3.1 ARM指令集 61

3.2 一些基本的ARM指令功能段 110

3.3 Thumb指令介绍 120

第4章 ARM汇编语言程序设计 122

4.1 伪操作 122

4.2 ARM汇编语言伪指令 151

4.3 ARM汇编语言语句的格式 153

4.4 ARM汇编语言程序的格式 162

4.5 ARM汇编编译器的使用 164

4.6 汇编程序设计举例 166

第5章 ARM的存储系统 175

5.1 ARM存储系统概述 175

5.2 ARM中用于存储管理的系统控制

协处理器CP15 176

5.3 存储器管理单元MMU 186

5.4 高速缓冲存储器和写缓冲区 205

5.5 快速上下文切换技术 217

5.6 与存储系统相关的程序设计指南 219

5.7 ARM存储系统的实例 225

第6章 ATPCS介绍 242

6.1 ATPCS概述 242

6.2 基本ATPCS 242

6.3 几种特定的ATPCS 246

第7章 ARM程序和Thumb程序混合

使用 250

7.1 概述 250

7.2 在汇编语言程序中通过用户代码

支持interwork 251

7.3 在C/C++程序中实现interwork 256

7.4 在汇编语言程序中通过连接器

支持interwork 259

第8章 C/C++以及汇编语言的混合

编程 263

8.1 内嵌汇编器的使用 263

8.2 从汇编程序中访问C程序变量 270

8.3 汇编程序、C程序以及C++程序的

相互调用 271

第9章 异常中断处理 276

9.1 ARM中的异常中断处理概述 276

9.2 进入和退出异常中断的过程 279

9.3 在应用程序中安排异常中断处理

程序 285

9.4 SWI异常中断处理程序 288

9.5 FIQ和IRQ异常中断处理程序 297

9.6 复位异常中断处理程序 302

9.7 未定义指令异常中断 302

9.8 指令预取中止异常中断处理程序 303

9.9 数据访问中止异常中断处理程序 303

第10章 ARM C/C++编译器 304

10.1 ARM C/C++编译器概述 304

10.2 ARM编译器命令行格式 306

10.3 ARM编译器中的pragmas 319

10.4 ARM编译器特定的关键词 321

10.5 ARM编译器支持的基本数据

类型 335

10.6 ARM编译器中的预定义宏 337

10.7 ARM中的C/C++库 339

第11章 ARM连接器 347

11.1 ARM映像文件 347

11.2 ARM连接器介绍 351

11.3 ARM连接器生成的符号 353

11.4 连接器的优化功能 354

11.5 运行时库的使用 355

11.6 从一个映像文件中使用另一个映像

文件中的符号 359

11.7 隐藏或者重命名全局符号 362

11.8 ARM连接器的命令行选项 363

11.9 使用scatter文件定义映像文件的

地址映射 371

第12章 嵌入式应用程序示例 384

12.1 嵌入式应用程序设计的基本知识 384

12.2 使用semihosting的C语言程序

示例 388

12.3 一个嵌入式应用系统示例 392

12.4 进行ROM/RAM地址重映射的

嵌入式应用系统 401

12.5 一个嵌入式操作系统示例 405

第13章 使用CodeWarrior 412

13.1 CodeWarrior for ARM概述 412

13.2 简单工程项目的使用 413

13.3 配置生成目标 424

13.4 复杂工程项目的使用 451

13.5 工程项目模板 456

13.6 编译和连接工程项目 461

第14章 ARM体系中的调试方法 465

14.1 ARM体系中的调试系统概述 465

14.2 基于Angel的调试系统 466

14.3 基于JTAG的调试系统 495

14.4 ADW使用介绍 498

参考文献 513

其中的符号及参数说明如下。

：是指令助记符，如ADD表示算术加操作指令。

{}：表示指令执行的条件。

{S}：决定指令的操作是否影响CPSR的值。

：表示目标寄存器。

：表示包含第1个操作数的寄存器。

：表示第2个操作数。

通常有下面3种格式。

（1） 立即数方式。每个立即数由一个8位的常数循环右移偶数位得到。其中循环右移的位数由一个4位二进制的两倍表示。如果立即数记作，8位常数记作immed_8，4位的循环右移值记作rotate_imm，则有：

= immed_8循环右移（2*rotate_imm）

这样并不是每一个32位的常数都是合法的立即数，只有能够通过上面构造方法得到的才是合法的立即数。下面的常数是合法的立即数：

0Xff,0x104,0xff0,0xff00

而下面的数不能通过上述构造方法得到，则不是合法的立即数：

0x101,0x102,0xFF1

同时按照上面的构造方法，一个合法的立即数可能有多种编码方法。如0x3F0是一个合法的立即数，它可以采用下面两种编码方法：

immed_8=0x3F,rotate_imm=0xE 或者

immed_8=0xFC,rotate_imm=0Xf

但是，由于这种立即数的构造方法中包含了循环移位操作，而循环移位操作会影响CPSR的条件标志位C。因此，同一个合法的立即数由于采用了不同的编码方式，将使某些指令的执行产生不同的结果，这是不能允许的。ARM汇编编译器按照下面的规则来生成立即数的编码。

当立即数数值在0和0xFF范围中时，令immed_8=，rotate_ imm=0。

其他情况下，汇编编译器选择使rotate_imm数值最小的编码方式。

（2） 寄存器方式。在寄存器寻址方式下，操作数即为寄存器的数值。如下例所示：

MOV R3,R2 ; 将R2的数值放到R3中

ADD R0,R1,R2 ; R0的数值等于R1的数值加上R2的数值

（3） 寄存器移位方式。寄存器移位方式的操作数为寄存器的数值做相应的移位（或者循环移位）而得到。具体的移位（或者循环移位）的方式有下面几种。

ASR：算术右移。

LSL：逻辑左移。

LSR：逻辑右移。

ROR：循环右移。

RRX：扩展的循环右移。

移位（或者循环移位）的位数可以用立即数方式或者寄存器方式表示。

下面是一些寄存器移位方式的操作数示例：

MOV R0,R1,LSL #3 ; R0=R1*（2**3）

ADD R0,R1,R1,LSL #3 ; R0=R1+R1*（2**3）

SUB R0,R1,R2,LSR #4 ; R0=R1-R2/（2**4）

MOV R0,R1,ROR R2 ; R0=R1循环右移R2位

数据处理指令操作数的具体寻址方式有下面11种。

#

, LSL #

, LSL

, LSR #

, LSR

, ASR #

, ASR

, ROR #

, ROR

, RRX

1. #

指令编码格式

31 28 27 25 24 21 20 19 16 15 12 11 8 7 0

cond 0 0 1 opcode S Rn Rd rotate_imm immed_8

操作数生成方法

指令的操作数即为立即数#。立即数#的生成方法见前面章节的介绍。当rotate_imm=0时，循环器的进位值（即 Carry-out 位）为CPSR中的C条件标志位；当rotate_imm!=0时，循环器的进位值（即 Carry-out 位）为操作数的最高位bit[31]。

指令中操作数的语法格式

#

其中，= immed_8循环右移（2*rotate_imm）。

指令中操作数寻址操作的伪代码

shifter_operand = immed_8 Rotate_Right （rotate_imm * 2）

if rotate_imm == 0 then

shifter_carry_out = C flag

else /* rotate_imm != 0 */

shifter_carry_out = shifter_operand[31]

使用说明

这里需要注意，关于立即数的合法性以及立即数编码的规则，具体细节在上一节已经做了详细描述，这里不再重复。

示例

MOV R0,#0xFC0 ; 令R0的数值为0xFC0

2.

指令编码格式

31 28 27 25 24 21 20 19 16 15 12 11 7 6 4 3 0

cond 0 0 0 opcode S Rn Rd 0 0 0 0 0 0 0 0 Rm

操作数生成方法

指令的操作数即为寄存器的数值。循环器的进位值（即 Carry-out 位）为CPSR中的C条件标志位。

指令中操作数的语法格式

其中，指定操作数所在的寄存器。

指令中操作数寻址操作的伪代码

shifter_operand = Rm

shifter_carry_out = C Flag

使用说明

当R15用作第1个源操作数Rn或者第2个操作数Rm时，操作数即为当前指令地址加常数8。

示例

MOV R3,R2 ; 将R2的数值放到R3中

ADD R0,R1,R2 ; R0的数值等于R1的数值加上R2的数值

3. , LSL #

指令编码格式

31 28 27 25 24 21 20 19 16 15 12 11 7 6 4 3 0

cond 0 0 0 opcode S Rn Rd shift_imm 0 0 0 Rm

操作数生成方法

指令的操作数为寄存器Rm的数值逻辑左移shift_imm位。由于shift _imm为5位，所以移位的范围为0～31位。进行移位操作后，空出的位添0。当shift_imm=0时，循环器的进位值（即Carry-out位）为CPSR中的C条件标志位；当shift_imm!=0时，循环器的进位值为操作数的最高位bit[31]。

指令中操作数的语法格式

,LSL #

其中：

为进行逻辑左移操作的寄存器。

LSL表示逻辑左移操作。

为逻辑左移位数，范围为0～31。

指令中操作数寻址操作的伪代码

if shift_imm == 0 then /*寄存器操作数 */

shifter_operand = Rm

shifter_carry_out = C Flag

else /* shift_imm > 0 */

shifter_operand = Rm Logical_Shift_Left shift_imm

shifter_carry_out = Rm[32 - shift_imm]

使用说明

当R15用作第1个源操作数Rn或者第2个操作数Rm时，操作数即为当前指令地址加常数8。

示例

MOV R0,R0,LSL #n ; R0=R0*（2**n）

4. , LSL

指令编码格式

31 28 27 25 24 21 20 19 16 15 12 11 8 7 4 3 0

cond 0 0 0 opcode S Rn Rd Rs 0 0 0 1 Rm

……

嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统并不是最近出现的新技术，只是随着微电子技术和计算机技术的发展，微控制芯片功能越来越强大，嵌入微控制芯片的设备和系统越来越多，从而使得这种技术越来越引人注目而已。嵌入式系统与通用的计算机系统既有相似之处，也有明显的区别。通常，嵌入式系统中的系统程序(包括操作系统)与应用程序是浑然一体的，这些程序被编译连接成一个可以执行的二进制映像文件(Image)，这个二进制映像文件被固化在系统中，在系统复位后自动执行。嵌入式系统的开发系统与实际运行的系统并不相同，需要交叉编译系统和适当的调试系统。

ARM嵌入式处理器是一种高性能、低功耗的RISC芯片。它由英国ARM公司设计，世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于ARM体系结构的通用芯片，或在其专用芯片中嵌入ARM的相关技术。如TI、Motorola、Intel、NS、Philips、Altera、Agilent、Atmel、Hynix、Sharp、Triscend、NEC、Cirrus Logic、Samsung和LinkUp等公司都有相应的产品。目前ARM芯片广泛应用于无线产品、PDA、GPS、网络、消费电子产品、STB及智能卡中，基于ARM内核的处理器年产量突破90亿个，已经成为业界的龙头。本书比较全面地介绍基于ARM技术的嵌入式应用系统的开发技术。

1. 本书的主要读者

本书对ARM处理器的体系结构、指令系统、开发工具做了比较全面的介绍。并在此基础上讨论一些典型的基于ARM体系嵌入式应用系统设计时的基本技术。通过阅读本书，可以使读者能够掌握开发基于ARM的应用系统的各方面的知识。它既可作为学习ARM技术的培训材料，也可作为嵌入式系统开发人员的参考手册。

2. 本书的主要内容

本书以可执行的二进制映像文件(Image)为中心，介绍基于ARM微处理器的嵌入式系统的开发过程所涉及的知识，主要包括以下几部分。

* Image文件的“原材料”，包括*.c、*.h、*.obj、*.asm及*.lib文件。这些文件包括操作系统，通常以*.lib形式提供，也有一些操作系统附属的源代码，可以为*.c、*.h、*.asm；BSP(其实也是操作系统的一部分，因为它对于不同的计算机主板是不同的，这里将其单独列出)，它通常为*.c、*.h、*.asm；语言库(如C语言运行库)，通常为*.lib；用户自己的应用程序，通常为*.c、*.h、*.asm。

本书将对应地介绍：ARM的体系结构；ARM的指令系统；ARM汇编语言，对应于*.asm文件；ARM C语言的独到部分(与标准C相同的部分这里不做介绍)，对应于*.c；ARM的编程指南；ARM的编译器使用。

本书还将介绍ARM公司提供的集成开发环境CodeWarrior IDE的使用方法。

* Image文件各部分的组织方法以及在内存中的安排。

本书将对应地介绍ELF格式的映像文件的组成、ARM连接器的使用、程序在 ROM中的存放技术。

* Image文件中各部分的功能。

本书将对应地介绍一个嵌入式系统各部分的功能，着重介绍系统启动部分的设计。这部分是嵌入式系统涉及的难点，将通过一些实例来介绍。

* Image的调试。

本书主要介绍ARM公司的调试工具ADW的使用方法。同时将介绍嵌入式系统的基本调试方法。

3. 本书的结构安排

全书包括14章。各章主要内容说明如下。

第1章简要介绍ARM公司的情况以及基于ARM技术的嵌入式系统的应用情况，比较详细地介绍当前ARM体系结构的主要版本，简要介绍目前ARM处理器的种类及其主要特点。通过这一章的介绍，读者可以对ARM技术有一个总体的了解。

第2章介绍ARM编程模型的基本知识。主要包括ARM处理器模式、ARM体系中的寄存器及其使用方式、ARM体系中异常中断处理的基本概念以及ARM体系中存储访问的基本知识。通过这一章的介绍，读者将了解ARM编程模型的基本知识，为详细了解ARM程序设计的各项技术打好基础。

第3章详细介绍ARM体系的指令系统以及寻址方式。将介绍ARM指令集和Thumb指令集各自的应用领域。虽然没有详细介绍Thumb指令集，但并不是因为Thumb指令集不重要，而是因为从功能上来讲，它是ARM指令集的子集，在了解ARM指令集的基础上很容易理解Thumb指令。介绍各指令的编码格式、语法格式、执行的操作以及应用方法。最后将介绍一些常用的ARM指令代码段，帮助用户进一步理解各指令的用法，积累一些ARM代码设计的基本方法。

第4章介绍ARM汇编语言程序设计的基本方法以及ARM汇编器armasm的使用方法。其中包括ARM汇编语言中的伪操作(Directives)、宏指令(Pseudo-instruction)、汇编语言格式、armasm的使用方法以及一些汇编语言程序示例。通过这些介绍，读者可以掌握ARM汇编语言设计的方法。

第5章介绍ARM体系的存储系统。在一个嵌入式系统中，存储系统是非常重要的一部分。这里将介绍ARM体系中用于存储管理的协处理器CP15、存储管理单元MMU、写缓冲以及Cache、快速上下文切换技术，还将介绍有关存储系统的程序设计。并以LinkUp公司ARM处理器芯片L7210中的存储系统为例，介绍ARM存储系统的设计技术。其中没有介绍存储保护单元MPU，这是因为MPU更简单，而MMU的应用更为广泛。该章对于虚拟存储技术、缓冲技术以及Cache技术都将做比较详细的介绍，使那些从事基于低端单片机应用的开发人员更容易理解ARM体系中存储系统的设计技术。

第6章介绍ARM/Thumb过程调用的标准。为了能使单独编译的C语言程序和汇编程序之间能够相互调用，必须为子程序间的调用制定一定的规则。ATPCS规定了ARM程序和Thumb程序中子程序调用的基本规则。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等。同时，该章还将介绍支持数据栈检查的ATPCS以及与代码/数据位置无关的ATPCS。

第7章介绍ARM程序和Thumb程序混合使用的方法。如果程序遵守支持ARM程序和Thumb程序混合使用的ATPCS，则程序中的ARM子程序和Thumb子程序可以相互调用。对于C/C++源程序而言，只要在编译时指定-apcs /interwork选项，编译器生成的代码就遵守支持ARM程序和Thumb程序混合使用的ATPCS。而对于汇编源程序而言，用户必须保证编写的代码遵守支持ARM程序和Thumb程序混合使用的ATPCS。该章将介绍相关的选项和编程技术。

第8章介绍ARM汇编程序以及C/C++程序之间相互调用的技术。其中将介绍C编译器中内嵌的汇编器的使用方法。

第9章详细介绍ARM体系中的异常中断技术。其中包括异常中断处理的处理过程，各种异常中断处理的进入和返回机制，在应用程序中使用异常中断处理的方法以及各种异常中断的详细使用技术。

第10章主要介绍ARM体系中C/C++语言程序设计的基本知识。其中包括ARM C/C++语言的一些特性、ARM C/C++编译器的使用方法，以及ARM C/C++运行时库的使用方法。通过这些介绍，可以使读者掌握开发嵌入式C/C++应用程序的基本知识和方法，进一步了解嵌入式应用系统的特点。

第11章介绍如何由目标文件以及库文件得到可执行的映像文件。其中包括ELF格式的可执行映像文件的组成、ARM连接器的使用方法，以及连接过程所执行的各种操作。最后通过一些实例介绍在映像文件中各部分内容的地址映射关系。

第12章介绍嵌入式应用程序设计的基本知识，然后通过几个示例具体说明嵌入式应用程序的设计方法。对于每个示例，不仅详细介绍程序设计的要点，而且介绍如何使用ARM开发工具编译、连接这些程序，生成映像文件。该章是对前面几章知识的综合应用。

第13章介绍CodeWarrior IDE集成开发环境的使用方法。其中着重介绍在CodeWarrior IDE中工程项目的使用方法，以及生成目标的设置方法。这些知识是使用CodeWarrior IDE进行应用程序开发时最为重要的部分。

第14章介绍ARM体系的调试系统和ARM公司的高性能调试工具ADW的使用方法。ADW的功能非常多，本书并不是一本专门介绍ADW的书。因而只是介绍其中的一些基本功能和嵌入式系统的基本调试方法。

4. 阅读本书时的注意事项

在嵌入式应用系统的开发技术中，涉及很多名词术语，本书主要使用在国内单片机技术领域中通用的一些名词术语，但仍有一些ARM体系中特有的名词术语较难翻译。本书中有很多词是按照其技术含义来表达的，而不是按单词直接翻译。同时，对于一些名词术语，本书在括号内给出了其英文名称，便于读者理解。

对于ARM指令系统，本书给出了详细的介绍，是希望该部分能作为编写ARM汇编程序的开发人员的参考资料，提高开发人员的工作效率。

本书在编写过程中，得到了ARM(上海)的大力支持，在此表示衷心的感谢。

作 者