FreeRTOS菜鸟入门（二十）·ARM架构简介

目录

1. 前提

2. ARM架构

3. ARM 汇编指令

3.1 LDR（Load Register）：读内存

3.2 STR（Store Register）：写内存

3.3 ADD（加法）

3.4 SUB（减法）

3.5 比较指令 CMP

3.6 B（Branch）：直接跳转

3.7 BL（Branch and Link）：带链接跳转

4. 实例讲解

拓展：反汇编命令

1. 前提

该章节是对一些知识点扫盲，想要了解更多FreeRTOS相关可以查看：

FreeRTOS菜鸟入门系列_时光の尘的博客-CSDN博客

FreeRTOS实战系列_时光の尘的博客-CSDN博客

2. ARM架构

这里简单了解一下ARM架构，ARM 架构的全称是Advanced RISC Machine，天生就是为 RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算机）设计的，它的所有特性都围绕 RISC 的核心思想展开，是 RISC 架构最成功的商业化代表之一。

RISC 的核心是：用精简的硬件逻辑，实现高效、低功耗的指令执行，和传统 CISC（复杂指令集）的用复杂硬件兼容一切思路完全相反：

• 优先实现高频使用的简单指令，单条指令只做一件事，执行周期固定，大多能在 1 个时钟周期内完成
• 把复杂操作交给编译器，通过多条简单指令的组合实现，而非硬件内置复杂指令
• 硬件设计简化，晶体管用量少，功耗更低，天生适配移动设备、嵌入式场景

我们平常使用的是Cortex-M3/M4/A7 系列 ARM 内核，这些内核都有 R0~R15 共 16 个 32 位通用寄存器，分为三类：

• 低寄存器（Low Registers）：R0~R7所有指令都可以无限制访问，是最常用的通用数据寄存器，用于暂存运算数据、函数参数等。
• 高寄存器（High Registers）：R8~R12在部分 Thumb 指令中访问受限，常用于保存临时变量或函数调用的额外数据。
• 特殊功能寄存器：R13、R14、R15 + xPSR这三个寄存器有固定的系统级用途，是内核运行的核心控制寄存器。

对于特殊功能寄存器：

R13（SP，Stack Pointer 栈指针）

• 指向当前栈顶的地址，用于管理栈空间（函数调用、中断处理时的现场保存 / 恢复都依赖栈）。
• Cortex-M 内核支持双栈指针：SP_main（主栈，用于操作系统内核、异常处理）和 SP_process（进程栈，用于用户应用程序），可通过控制寄存器切换。
• 栈操作（PUSH/POP）会自动修改 SP 的值，硬件自动维护栈平衡。

R14（LR，Link Register 链接寄存器）

• 用于保存函数 / 子程序调用后的返回地址。
• 当执行 BL（分支并链接）指令调用函数时，当前指令的下一条地址会自动存入 LR；函数执行结束后，通过BX LR指令即可跳回原位置。
• 中断服务程序中，LR 会被自动压入栈，中断返回时恢复。

R15（PC，Program Counter 程序计数器）

• 指向当前正在执行的指令的地址，CPU 每执行一条指令，PC 会自动递增。
• 直接修改 PC 的值，就可以实现程序跳转（比如赋值跳转地址到 R15，或使用 B、BL 等跳转指令）。
• 在 Thumb 指令集下，PC 的最低位必须为 1（表示 Thumb 状态），否则会触发硬件错误。

xPSR（Program Status Register 程序状态寄存器）

• 图中最下方的寄存器，包含状态标志位（如 N/Z/C/V 条件码、中断屏蔽位、处理器模式位等）。
• 条件指令（如 BEQ、BNE）的执行依赖 xPSR 中的标志位，中断响应也会修改其中的状态位。

对于一个芯片要想实现a+b需要怎么实现呢？如下图：

我们通过CPU获取内存数据存放到寄存器当中，根据FLASH当中存放的指令集进行相关操作。

3. ARM 汇编指令

3.1 LDR（Load Register）：读内存

LDR R0, [R1, #4] ; 读地址 "R1+4" 处的4字节数据，存入R0寄存器

方括号 [] 表示内存地址，#4 是立即数偏移，支持多种寻址方式（如基址 + 偏移、寄存器间接寻址）。

3.2 STR（Store Register）：写内存

STR R0, [R1, #4] ; 把R0寄存器中的4字节数据，写入地址 "R1+4" 处

STR 和 LDR 是成对的，前者是 “寄存器→内存”，后者是 “内存→寄存器”。

3.3 ADD（加法）

ADD R0, R1, R2 ; R0 = R1 + R2（寄存器+寄存器） ADD R0, R0, #1 ; R0 = R0 + 1（寄存器+立即数，自增）

3.4 SUB（减法）

SUB R0, R1, R2 ; R0 = R1 - R2（寄存器-寄存器） SUB R0, R0, #1 ; R0 = R0 - 1（寄存器-立即数，自减）

3.5 比较指令 CMP

CMP R0, R1 ; 计算 R0 - R1，结果不存入寄存器，只修改程序状态寄存器（PSR）的标志位

CMP 是 “条件指令” 的基础，它会设置 N/Z/C/V 等标志位，后续可以配合 BEQ（相等跳转）、BNE（不等跳转）等条件跳转指令使用。

3.6 B（Branch）：直接跳转

B main ; 无条件跳转到标签 main 处执行，不保存返回地址

适用场景：死循环、无条件分支。

3.7 BL（Branch and Link）：带链接跳转

BL main ; 先把下一条指令的地址保存到LR（R14）寄存器，再跳转到 main 处

适用场景：函数 / 子程序调用，后续可以通过 BX LR 指令返回原调用处。

4. 实例讲解

这里使用的代码是之前移植好的C8T6的代码：

基于STM32F103C8T6移植FreeRTOS资源-CSDN下载

对OLED_task.c进行如下修改：

#include "OLED_task.h" #include "OLED.h" #include "FreeRTOS.h" #include "task.h" int add(volatile int a, volatile int b) { volatile int sum; sum = a + b; return sum; } void oled_task_driver(void *pvParameters) { int cnt = 0; while(1) { // OLED_ShowChar(1, 1, 'A'); //1行1列显示字符A // OLED_ShowString(1, 3, "HelloWorld!"); //1行3列显示字符串HelloWorld! // OLED_ShowSignedNum(2, 7, -66, 2); //2行7列显示有符号十进制数字-66，长度为2 // OLED_ShowHexNum(3, 1, 0xAA55, 4); //3行1列显示十六进制数字0xA5A5，长度为4 // OLED_ShowBinNum(4, 1, 0xAA55, 16); //4行1列显示二进制数字0xA5A5，长度为16 OLED_ShowNum(2, 1, cnt, 5); cnt = add(cnt,1); vTaskDelay(50); } }

拓展：反汇编命令

反汇编作用是把 ARM 编译器生成的 .axf 可执行文件，转换成 人类能看懂的汇编代码文件 .dis，简单来说就是把机器码 → 反汇编成汇编代码，看一下下面这段代码：

fromelf --text -a -c --output=xxxx.dis xxxx.axf

• fromelf：ARM 自带的格式转换 / 反汇编工具（Keil 安装目录里自带）
• --text：输出文本格式的反汇编内容（不是二进制）
• -a：输出地址信息（函数地址、变量地址）
• -c：输出反汇编代码（assembly）
• --output=xxxx.dis：把结果保存到 xxxx.dis 文件
• xxxx.axf：输入文件（Keil 编译后生成的包含调试信息的可执行文件）

如何使用呢根据如下步骤：

对于.dis自己随便去个名字：

fromelf --text -a -c --output=test.dis .\Obj\Template.axf

对于.axf的路径可以在这里查找，改成自己的路径：

编译运行可以看到生成了.dis文件：

打开文件，这里打开方式我还是用Keil5打开，然后搜索找到i.add：

i.add add 0x08000fd4: b503 .. PUSH {r0,r1,lr} 0x08000fd6: b081 .. SUB sp,sp,#4 0x08000fd8: e9dd0101 .... LDRD r0,r1,[sp,#4] 0x08000fdc: 4408 .D ADD r0,r0,r1 0x08000fde: 9000 .. STR r0,[sp,#0] 0x08000fe0: 9800 .. LDR r0,[sp,#0] 0x08000fe2: bd0e .. POP {r1-r3,pc}

同样的方式找到 oled_task_driver：

i.oled_task_driver oled_task_driver 0x08001098: 2400 .$ MOVS r4,#0 0x0800109a: e00d .. B 0x80010b8 ; oled_task_driver + 32 0x0800109c: 2305 .# MOVS r3,#5 0x0800109e: 4622 "F MOV r2,r4 0x080010a0: 2101 .! MOVS r1,#1 0x080010a2: 2002 . MOVS r0,#2 0x080010a4: f7fffb6a ..j. BL OLED_ShowNum ; 0x800077c 0x080010a8: 2101 .! MOVS r1,#1 0x080010aa: 4620 F MOV r0,r4 0x080010ac: f7ffff92 .... BL add ; 0x8000fd4 0x080010b0: 4604 .F MOV r4,r0 0x080010b2: 2032 2 MOVS r0,#0x32 0x080010b4: f000ff9e .... BL vTaskDelay ; 0x8001ff4 0x080010b8: e7f0 .. B 0x800109c ; oled_task_driver + 4 0x080010ba: 0000 .. MOVS r0,r0

二者所对应的代码：

int add(volatile int a, volatile int b) { volatile int sum; sum = a + b; return sum; } void oled_task_driver(void *pvParameters) { int cnt = 0; while(1) { // OLED_ShowChar(1, 1, 'A'); //1行1列显示字符A // OLED_ShowString(1, 3, "HelloWorld!"); //1行3列显示字符串HelloWorld! // OLED_ShowSignedNum(2, 7, -66, 2); //2行7列显示有符号十进制数字-66，长度为2 // OLED_ShowHexNum(3, 1, 0xAA55, 4); //3行1列显示十六进制数字0xA5A5，长度为4 // OLED_ShowBinNum(4, 1, 0xAA55, 16); //4行1列显示二进制数字0xA5A5，长度为16 OLED_ShowNum(2, 1, cnt, 5); cnt = add(cnt,1); vTaskDelay(50); } }

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