ARM编程进阶之一 —— ARM汇编伪指令

到目前为止，我们已经具备编写较为复杂的ARM汇编程序的能力，但要编写较为复杂且实用的程序，我们就不得不掌握ARM汇编的伪指令（pseudo-instruction）。千万别把汇编伪操作（directive）与汇编伪指令（pseudo-instruction）弄混了，directive不会被编译器编译为机器指令，但pseudo-instruction会。而pseudo-instruction与指令（instruction）的区别在于，1条instruction与1条机器指令对应，而编译器会把1条pseudo-instruction编译为1条或多条机器指令。

ARM汇编伪指令共4条：ldr、adr、adrl、nop

1、ldr

首先我们来回答“基本寻址模式与基本指令”一文中提出的问题。“如果我们需要mov r0, #10000这样的指令，应该怎么办？（常数10000不能在机器指令32bit中的低12bit中被表示出来）”。当你进行编译的时候，“Error：All70E”的错误就会出现，如下图。





其实，这个问题很容易解决，只需要将mov r0, #10000换为ldr r0, =10000即可。为什么这样就可以了呢？因为，这里的ldr r0, =10000并非我们已经学过的ldr指令，而是一条伪指令，编译器会将这条伪指令替换为：

ldr r0, [pc, #-4]

DCD 10000

DCD所分配的内存空间中存放了整数10000，该内存空间被称为literal pool，中文名称“文字池”。由于整个程序都是由编译器编译的（包括文字池的分配），所以很显然编译器能够知道ldr指令在内存中的地址与文字池在内存中的位置之间的偏移量，因此编译器就可以正确地使用以pc为基址，采用相对寻址的ldr指令将文字池中的数取出加载到寄存器r0中。由此可见，编译器对于ldr r0, =10000这条伪指令的处理，其实质是：

在汇编源程序时，LDR伪指令被编译器替换成一条合适的指令和存放常数的文字池。汇编器将常量放入文字池，并使用一条程序相对偏移的LDR指令从文字池读出常量。

由于，4byte可以存放任何int型整数，这样一来，常数就可以是任何int型整数，而不再受制于12bit的限制。当然此时的常数是存放在内存中的，而不是存放在机器指令的32bit编码中的。

额外说明：

a）、ldr r0, [pc, #-4]中是-4，而不是+4，是由于流水线的原因（参见“流水线对PC值的影响”一文）。今后对于流水线的这种影响，我将不再予以特别说明。

b）、从指令位置到文字池的偏移量必须小于4KB

c）、从语法上来看，与ARM指令的LDR相比，伪指令LDR的参数有“=”号，没有“#”号

d）、如果常数能够被12bit表示出来，例如：ldr r0, =0×100，那么，编译器对该伪指令的处理，是使用MOV（或者MVN）指令代替该LDR伪指令，例如：mov r0, #0×100，而不会采用ldr指令+文字池的方式。

除了 ldr 寄存器, =常数 这种形式外，还有ldr 寄存器, =标号 这种形式也经常被使用，下面我就来讲解这种形式的ldr伪指令。





由上图可见：ldr pc, =InitStack这条伪指令的作用是将标号InitStack所代表的地址赋予pc。 这里会使我们产生几个疑问：

a）、为什么不使用bl InitStack，而要使用ldr pc, =InitStack？

这是因为bl指令的跳转范围是正负32M，而InitStack所代表的位置有可能距离ldr pc, =InitStack超过32M，此时bl就无能为力了。竟然存在这么大范围跳转的程序（这似乎意味着编译出来的二进制可执行文件的大小会操作32M），这一点似乎令我们感到非常震惊。事实上是：大小超过32M的可执行程序的确几乎不可能出现，但即使是很小的二进制程序中也可能进行大范围（超过32M）的跳转，这一点在bootloader程序中几乎是必然的。

b）、编译器是如何得出InitStack所代表的地址是0×64？

编译器知道MOV R0, LR这条指令相对于整个程序的第1条指令的偏移量为0×64；同时又知道这个程序将来在内存中的运行地址为0×0，所以编译器在编译的时候（不是程序运行的时候）就可以确定InitStack所代表的地址为0×64+0×0=0×64。那么编译器又是如何知道“程序将来在内存中的运行地址”的呢？其实，这个“程序将来在内存中的运行地址”，我通常称它为“程序的期望运行地址”，简称“运行地址”，以后我也将这样称呼它。它其实是在编译程序前由程序员告知编译器的。





c）、如果将来程序并没有运行在它的运行地址处，很显然这个程序就会出问题。如何解决？

出问题的原因，显然是由于ldr伪指令使用的绝对地址。所以，解决的办法就是使用相对地址，进行相对寻址。这就要用到我们下面要介绍的另一条伪指令adr

2、adr

ADR伪指令的作用与LDR伪指令的作用相同，都是将标号所代表的地址赋予寄存器，不过2者的实现机制是完全不同的：ldr采用绝对地址，adr采用相对地址。

ADR伪指令将基于PC相对偏移的地址值读取到寄存器中。在汇编源程序时，ADR伪指令被编译器替换成一条合适的指令。通常，编译器用一条ADD指令或SUB指令来实现该ADR伪指令的功能。





很显然，由于将ADR R0, Delay替换为ADD r0, pc, #0x3c，而它是以当前指令的地址（pc的值）进行相对地址计算的。所以即使将来程序没有实际运行在运行地址处，也不会有问题。

当然，这里还有2个问题：

a）、既然adr和ldr完成类似的功能，adr又能避免绝对地址的问题，还要ldr伪指令有何用？

这主要是因为，adr伪指令要求标号与adr伪指令必须在同一个段中（段的概念参见“ARM汇编伪操作”一文），而ldr伪指令则没有这样的要求。

b）、add r0, pc, #0x3c中的常数0x3c是放在机器指令12bit中的立即数，这个立即数有可能不能被12bit表示出来。此时编译会产生错误。如果出现这样的情况，又应该如何办？

使用下面要讲的伪指令adrl

3、adrl

在汇编源程序时，ADRL伪指令被编译器替换成两条合适的指令。其本质是：将偏移量这个立即数（可能不能被12bit表示出来）拆分为2个可以被12bit表示的立即数，然后用2条add（或sub）指令来替换adrl伪指令。





当然你会问，如果那个立即数非常特殊，无论如何也拆分不成2个可以被12bit表示的立即数（也就是说需要拆分为3个甚至更多的数），那又应该如何办？关于这个问题，我在这里不予回答，不过你要记住一句话，如果机器智能到啥都能做的话，你作为程序员就失业了！哈哈！

4、nop

NOP是no operation的意思，就是CPU不做任何事的意思。这里千万要明白，CPU一旦上电就将永不停歇地运行，绝不可能有一条指令能另CPU什么都不做。所以，该伪指令在汇编时将会被代替成“MOV R0,R0”指令。

NOP主要用于短延时操作，关于这一点，这里我要多说几句。与应用程序不同，汇编程序通常要用于控制硬件，例如，你需要使用汇编程序要求某个硬件执行某个操作（例如：初始化nandflash），并要在该操作完成后才能进行后面的操作，而硬件从接到命令到完成该操作需要一段时间（该时间很短，但对CPU而言却较长，通常需要几个指令周期）。此时，程序员就必须在发出命令的指令和后续操作之间做延时，通常的做法就是加入几个NOP伪操作。

附：ldr指令与ldr伪指令的4种形式（这4种形式，极其容易让初学者困惑，所以在此集中列出）

ldr r0, [r1]	指令，将内存存放的内容加载到r0中
ldr r0, label	指令，将标号label所代表的内存地址处存放的内容加载到r0中
ldr r0, =10000	伪指令，将常数10000赋予r0（采用ldr指令+文字池的方式实现）
ldr r0, =lable	伪指令，将标号label所代表的内存地址赋予r0