GNU汇编基础

1. 概述

GNU汇编器（AS）是GNU工具链的组成部分，采用跨平台的统一语法。在嵌入式开发中，它常用于处理器初始化、中断处理等底层硬件操作。本文以ARM Cortex-A7为例，讲解GNU汇编的核心语法与实战应用。

2. 基础语法规则

2.1 语句结构

GNU 汇编每行一条语句，格式固定为 label: instruction @ comment，三部分均为可选（无标号则省略 “label:”，无注释则省略 “@ comment”）。

label（标号）：表示地址位置，用于跳转、函数入口或数据地址，必须以 : 结尾（如 _start:、LED_Init:）。
instruction（指令）：可是 ARM 汇编指令（如 MOV、LDR）或伪操作（如 .global、.section）。
comment（注释）：用 @ 开头（单行），或 /* ... */（多行），作用同 C 语言注释，仅用于说明，不参与编译。

示例：

_start:
    MOV R0, #0x12      @ 设置 R0 = 0x12
    ADD R1, R0, #1     /* R1 = R0 + 1 */

2.2 大小写规范

指令、伪指令、寄存器等可以全部大写或小写
禁止大小写混用
推荐使用小写以提高可读性

3. 段定义与常用伪操作

GNU 汇编通过 “段” 划分代码、数据区域，需用伪操作（以 . 开头的指令）定义，伪操作仅指导汇编器编译，不生成机器码。

3.1 预定义段（核心必用）

汇编器预定义了 4 个核心段，无需自定义，直接用 .section 声明即可，各段作用如下：

段名	作用	特点
`.text`	存放代码（指令）	只读，加载到内存可执行区域
`.data`	存放已初始化的数据（如全局变量）	可读写，占用 Flash 和内存空间
`.bss`	存放未初始化的数据	仅占内存空间，Flash 中不存储（上电清零）
`.rodata`	存放只读数据（如常量、字符串）	只读，可优化到 `.text` 段节省空间

示例：定义段

.section .text    @ 声明当前代码属于代码段
.global _start    @ 导出_start为全局符号（链接器需此作为入口）
_start:           @ 程序入口标号（链接脚本需指定ENTRY(_start)）

.section .data    @ 声明数据段
num1: .long 0X12345678  @ 已初始化数据：4字节（long）变量num1=0X12345678

.section .bss     @ 声明未初始化数据段
buf: .space 1024   @ 分配1024字节空间（buf为起始地址，上电后值为0）

3.2 常用伪操作

伪操作	格式	作用	示例
`.global`	`.global symbol`	导出符号（让链接器 / 其他文件可见）	`.global LED_On`（导出 LED_On 函数）
`.equ`	`.equ 变量名, 表达式`	定义常量（类似 C 的 #define）	`.equ GPIO1_ADDR, 0X0209C004`
`.align`	`.align 对齐字节数`	数据 / 代码地址对齐（需 2 的幂，如 4/8）	`.align 4`（4 字节对齐，避免硬件错误）
`.byte`/`.short`/`.long`	`.byte 数值`	定义 1/2/4 字节数据	`.byte 0XAB`（1 字节）、`.long 0X1234`（4 字节）
`.space`	`.space 长度, 填充值`	分配指定字节空间（填充值默认 0）	`.space 8`（分配 8 字节，值为 0）
`.end`	`.end`	标识源文件结束（可省略，编译器自动识别）	无

4. 函数设计与调用规则

GNU 汇编函数需遵循 ATPCS 规则（ARM 函数调用标准），核心是 “寄存器使用约定” 和 “现场保护”，否则会导致数据混乱或函数无法返回。

4.1 函数基本结构

汇编函数由 “函数标号 + 函数体 + 返回指令” 组成，返回指令需根据场景选择（BX LR 或 POP {..., PC}）。

/* 函数名：Add（实现 a + b）
   输入：R0 = a，R1 = b
   输出：R0 = a + b
*/
Add:
    ADD R0, R0, R1  @ 函数体：R0 = R0 + R1（利用输入寄存器存结果）
    BX LR           @ 返回指令：将LR的值赋给PC，回到调用处

4.2 关键规则：现场保护与恢复

现场保护的核心是 “被调用者保存寄存器” 需压栈（避免修改后影响调用者），ATPCS 规则明确：

调用者保存寄存器：R0~R3、R12（调用者负责保存，被调用者可直接修改）；
被调用者保存寄存器：R4~R11、LR（被调用者若使用，必须压栈保存，退出时恢复）。

示例：带现场保护的函数

/* 需要保护现场的复杂函数示例 */
Complex_Func:
    push {r4-r6, lr}      @ 保存非易失寄存器
    
    mov r4, r0           @ 使用r4（非易失，已保护）
    bl  Some_Sub_Func    @ 调用子函数（会修改lr）
    
    add r0, r4, #1       @ 使用已保护的r4
    pop {r4-r6, pc}      @ 恢复寄存器并通过pc返回

4.3 函数调用场景

场景 1：汇编调用 C 函数

汇编调用 C 函数时，需按规则传递参数（R0~R3 传前 4 个参数，超过 4 个用栈），且用 BL 指令（保存返回地址到 LR）。

.global _start
_start:
    /* 1. 设置栈（C函数需栈才能运行，栈地址需是4字节对齐） */
    LDR SP, =0X80200000  @ 栈地址设为0X80200000（需是空闲内存区域）
    
    /* 2. 传递参数（C函数 void C_LED_On(int pin, int status)） */
    MOV R0, #3           @ R0 = pin（第一个参数）
    MOV R1, #1           @ R1 = status（第二个参数）
    
    /* 3. 调用C函数（BL保存LR，执行完返回当前处） */
    BL C_LED_On          
    
    /* 4. 死循环（C函数返回后防止跑飞） */
Loop:
    B Loop

场景 2：C 调用汇编函数

C 调用汇编函数时，需在汇编中用 .global 导出函数名，C 中用 extern 声明，参数传递规则同上。

/* 汇编文件：add.s */
.global Add  @ 导出Add函数，供C调用
Add:
    ADD R0, R0, R1  @ R0=输入a，R1=输入b，R0=结果（C中接收返回值）
    BX LR

/* C文件：main.c */
extern int Add(int a, int b);  // 声明汇编函数
int main() {
    int res = Add(3, 5);       // 调用汇编函数，res=8
    return 0;
}

5. GUN核心指令详解

ARM 指令是汇编的 “执行单元”，Cortex-A7 常用指令按功能分类，以下为嵌入式开发高频指令（需重点掌握）。

5.1 数据传输指令（寄存器 / 特殊寄存器）

用于寄存器间、寄存器与特殊寄存器（CPSR/SPSR）的数据传递，核心指令 3 个：

指令	格式	作用	示例
MOV	MOV Rd, Rn / #immed	寄存器→寄存器，或立即数→寄存器（仅 16 位立即数）	MOV R0, R1（R0=R1）、MOV R0, #0X12
MRS	MRS Rd, 特殊寄存器	特殊寄存器→通用寄存器（仅能读特殊寄存器）	MRS R0, CPSR（R0=CPSR，读处理器状态）
MSR	MSR 特殊寄存器，Rd	通用寄存器→特殊寄存器（仅能写特殊寄存器）	MSR CPSR, R0（CPSR=R0，修改处理器状态）

示例：

mov r0, #0x1234          @ 立即数→寄存器
mov r1, r0               @ 寄存器→寄存器

mrs r0, cpsr             @ 特殊寄存器→通用寄存器
msr cpsr, r0             @ 通用寄存器→特殊寄存器

5.2 存储器访问指令（寄存器↔内存 / 外设）

ARM 不能直接访问内存 / 外设寄存器，需通过 LDR（读）和 STR（写）指令，支持按字节、半字、字（32 位）操作。

指令	格式	作用	示例（访问 I.MX6U GPIO1_GDIR）
LDR	LDR Rd, [Rn, #offset]	内存（Rn+offset）→寄存器（字操作）	LDR R1, [R0]（R1 = *R0，读地址值）
LDRB	LDRB Rd, [Rn, #offset]	内存→寄存器（字节操作，8 位）	LDRB R1, [R0, #1]（读 R0+1 地址的 1 字节）
LDRH	LDRH Rd, [Rn, #offset]	内存→寄存器（半字操作，16 位）	LDRH R1, [R0]（读 R0 地址的 2 字节）
STR	STR Rd, [Rn, #offset]	寄存器→内存（字操作）	STR R1, [R0]（*R0 = R1，写地址值）
STRB	STRB Rd, [Rn, #offset]	寄存器→内存（字节操作）	STRB R1, [R0, #2]（写 R0+2 地址 1 字节）
STRH	STRH Rd, [Rn, #offset]	寄存器→内存（半字操作）	STRH R1, [R0]（写 R0 地址 2 字节）

实战场景：配置 GPIO 为输出并点亮 LED

.equ GPIO1_GDIR, 0X0209C004  @ GPIO1方向寄存器地址
.equ GPIO1_DR,   0X0209C000  @ GPIO1数据寄存器地址

LED_On:
    /* 1. 配置GPIO为输出（GDIR对应位设1） */
    LDR R0, =GPIO1_GDIR  @ R0 = 寄存器地址
    LDR R1, [R0]         @ R1 = 当前GDIR值（读）
    ORR R1, R1, #(1<<5)  @ 第5位设1（配置引脚为输出）
    STR R1, [R0]         @ 写回GDIR（完成配置）
    
    /* 2. 点亮LED（DR对应位设0，假设低电平点亮） */
    LDR R0, =GPIO1_DR    @ R0 = 数据寄存器地址
    LDR R1, [R0]         @ R1 = 当前DR值
    BIC R1, R1, #(1<<5)  @ 第5位设0（点亮）
    STR R1, [R0]         @ 写回DR
    BX LR

5.3 压栈 / 出栈指令（现场保护）

用于批量保存 / 恢复寄存器，依赖栈指针（SP），Cortex-A 用 满递减栈（FD）（SP 指向最后入栈的元素，栈从高地址向低地址增长），核心指令 2 个：

指令	格式	作用	等价指令（FD 模式）
PUSH	PUSH	寄存器列表入栈（批量保存）	STMFD SP!,
POP	POP	栈数据恢复到寄存器列表（批量恢复）	LDMFD SP!,