第二部分习题答案

第六章

1、ARM处理器的特点是什么？

答：ARM处理器立足于嵌入式市场，其设计思想并不单纯地追求处理器速度，而是着眼于系统的整体性能。具体来讲，主要包括以下几个方面。

首先，低功耗是一个主要的考虑方面。其次，高代码密度是嵌入式系统的又一个重要需求。另外，嵌入式系统通常都是价格敏感的。还有一个影响嵌入式系统性能的因素就是处理器内核管芯（die）的面积，对于一个单片方案，处理器内核所占的面积越小，留给外设电路的空间就越大，这可以减少最终产品的外围芯片数目，从而降低设计和制造成本。

在体系结构方面，ARM处理器采用精简指令系统计算机（RISC）结构，但ARM处理器又不是纯粹的RISC。为了能够更好地满足嵌入式应用的需求，ARM处理器还增加了以下特点：

●一些特定指令的周期数可变，即并不是所有的ARM指令都是单周期的。

●内嵌桶形移位器产生了更为复杂的指令。

●Thumb 16位指令集。

●条件执行。这个特性可以减少分支指令的数目，从而改善性能，提高代码密度。

2、ARM处理器系列主要包括几大类？各自的特性是什么？

3、ARM处理器有哪些处理器模式？各自如何切换？

答：ARM处理器有7种处理器模式，它们分别是：用户模式，快速中断模式，外部中断模式，管理模式，中止模式，未定义模式和系统模式。各模式之间的切换，可以通过软件控制来实现，也可以由外部中断或异常而引起。

处理器复位之后，首先进入管理模式，操作系统内核通常处于这种模式。当运行用户程序时，进入用户模式。在用户模式下，应用程序不能访问一些受操作系统保护的系统资源，应用程序也不能直接进行处理器模式的切换，只允许对CPSR（当前程序状态寄存器）的控制域进行读操作，但允许对CPSR条件标志的读/写访问，用户模式下执行软中断指令（SWI）时也进入管理模式。系统模式是一种特殊的用户模式，它使用和用户模式完全相同的寄存器，但允许对CPSR的完全访问，当操作系统任务需要访问系统资源但又想避免访问与异常模式相关的寄存器时进入该模式。当处理器访问存储器失败时，进入中止模式。当处理器遇到没有定义的指令或处理器不支持该指令时，进入未定义模式。快速中断模式和外部中断模式分别对ARM处理器两种不同级别的中断做出响应。

4、“字节序”是指什么？ARM处理器如何解决这一问题？

答：当把一个多字节的数据存入以字节为单位编址的内存空间时，存在哪个字节定位在哪个地址单元的问题，在存储系统中称为字节序。一般有两种方案，big-endian和little-endian。在big-endian方案中，低字节在高地址单元中；在little-endian方案中，低字节在低地址单元中。

ARM处理器支持两种方案的字节序，可以通过系统设置指定处理器支持那种方案。一般缺省为litter-endian，而且对于指令访问来说，总是little-endian。

第七章

1、试分析ARM处理器指令系统中对立即数进行预处理的好处。

答：一般立即数寻址在指令系统中是必不可少的。ARM指令系统是32位的RISC结构，每条指令的位数都固定为32位。因此在指令中能直接给出的立即数位数就会很少，使得立即数的使用受到很大限制。

ARM对立即数进行预处理的技术，使得在12位的空间内可以表示部分32位的立即数，它突破了指令格式中位数的限制，使得立即数的范围大大扩大。虽然这样做只能表示部分立即数，但大部分常用的立即数因为小于8位，都能直接表示。而对于不能表示的立即数，又有伪指令LDR来处理。

从计算机系统结构的角度来说，这种设计是非常优秀的。

2、举例说明ARM指令系统中条件执行的好处。

由于条件执行可以有效地减少分支指令的数目，从而减少指令流水线的暂停次数，因此条件执行既可以改善代码执行的性能，又可以提高代码的密度。例如，求最大公约数的C 语言代码片断为：

while (a != b) {

if (a > b) a -= b; else b -= a;

}

不采用条件执行的ARM汇编代码为：

gcd

CMP R1，R2

BEQ complete

BLT lessthan

SUB R1，R1，R2

B gcd

lessthan

SUB R2，R2，R1

B gcd

complete

而采用条件执行的ARM汇编代码为：

gcd

CMP R1，R2

SUBGT R1，R1，R2

SUBLT R2，R2，R1

BNE gcd

可见条件执行的优点是非常明显的。

3、举例说明BX指令的功能。

答：BX是一条跳转指令，其目标地址采用寄存器寻址。BX指令用Rm寄存器的最低位影响CPSR中的T标志位，同时将计算后的目标地址保存在寄存器PC中。因此，BX指令既可以实现远距离（±231）的绝对跳转，又可以实现ARM空间到Thumb空间的切换。

指令的语法格式为：

BX{}

其中，为指令执行的条件码，当忽略时指令为无条件执行；为跳转的目标地址，其计算方法为：使CPSR中T位等于Rm寄存器中最低位的值，然后将Rm寄存器中值与0xFFFFFFFE进行与操作，将结果传送到PC中。

BX指令主要用于从ARM代码区跳转到Thumb代码区。ARM指令为32位，其指令地址的最低2位为0，Thumb指令为16位，其指令地址的最低1位为0。显然Thumb指令地址的最低2位也可以为0，因此不能单凭指令地址的最低2位来区分指令类型。但由于两种指令的最低位都为0，因此指令系统允许用户通过人为的设置该位来标记目标地址，规定该位为1表示目标地址处为Thumb指令，该位为0表示目标地址处为ARM指令。正如前所示，如果指令地址的最低位为1，则为非法地址，因此必须将其与0xFFFFFFFE进行与操作来恢复其最初的值。事实上，处理器是根据CPSR的T位来决定是否按Thumb代码来执行，而不是单凭指令地址。

当BX指令的目标地址不设置最低位时，可实现在ARM空间±231范围的绝对跳转。4、举例说明SWI指令的功能。

答：SWI指令用于产生软中断，ARM通过这种机制实现在用户模式对操作系统中特权模式的程序的调用。

SWI指令执行时，首先将该指令的下一条指令的地址保存在R14_svc寄存器中，将CPSR 保存在SPSR_svc寄存器中。然后设置处理器模式为特权模式，并设置运行在ARM环境（而不是Thumb环境）。接着禁止一般中断，最后将PC值设置为0x00000008或0xFFFF0008。

本指令主要用于用户程序调用操作系统的系统服务。操作系统在SWI的异常中断处理程序中提供相关的系统服务，并定义了参数传递的方法。通常有以下两种方法：其一，指令中24位立即数指定用户请求的服务类型，参数通过寄存器传递；其二，指令中的24位立即数被忽略，用户请求的服务类型由寄存器R0的数值决定，参数通过其它通用寄存器传递。在ADS1.2中就采用第一种方法。

例如，下面的代码段使程序正常返回系统。

MOV R0，#0x18

LDR R1，=0x20026

SWI 0x123456

5、设x=123，y=-124，编写x×y的ARM指令代码。

MOV R0，#123

MVN R1，#123

SMULL R2，R3，R0，R1

第八章ARM汇编语言程序设计

1、简述ADS1.2的基本组成。

答：（1）．代码生成工具（Code Generation Tools）

包括armcc（ ARM C编译器）、armcpp（ARM C++编译器）、tcc（Thumb C编译器）、tcpp（Thumb C++编译器）、armasm（ARM和Thumb汇编语言编译器）、armlink（ARM目标代码连接器）和armsd（ARM和Thumb符号调试器）。本章只用到armasm、armlink。

（2）．集成开发环境（CodeWarrior IDE from Metrowerks）

ADS在其Windows版本中集成了Metrowerks公司比较有名的集成开发环境CodeWarrior IDE。CodeWarrior IDE包括工程管理器、代码生成接口、语法敏感编辑器、源文件和类浏览器、源代码版本控制系统接口、文本搜索引擎等。

（3）．调试器（Debuggers）

包括ARM扩展调试器AXD（ARM eXtended Debugger）和ARM符号调试器armsd（ARM symbolic debugger）。AXD基于图形界面，具有一般意义上调试器的所有功能，包括简单和复杂断点设置、栈显示、寄存器和内存单元显示、命令行接口等。armsd为命令行调试工具。本章主要用到AXD。

（4）．指令集模拟器（Instruction Set Simulators）

主要是ARMulator，使用户无需任何硬件即可完成大部分调试工作。

（5）．ARM 开发包（ARM Firmware Suite）

包括fromelf（映像文件转换工具）、armprof（调试器运行时信息统计工具）、armar（库文件生成工具）和flash downloader等，其中fromelf可以将elf格式文件转换成多种二进制文件格式，同时也可以生成elf文件内部的相应信息，flash downloader可以将可执行映像文件写入目标版的flash中。

（6）．ARM应用库（ARM Applications Library）

包括标准C库和C++库例程。

2、在ADS1.2命令行方式下调试ARM汇编程序的主要命令有哪些？其作用是什么？

答：（1）、armasm：汇编源代码；（2）、armlink：连接目标代码；（3）、armsd：调试可执行文件；（4）、examine：检查内存单元；（5）、list：列出程序代码；（6）、register：检查寄存器等。

3、ADS1.2的窗口调试工具是什么？它有什么特点？

答：是AXD。AXD调试环境既可以是ADP（调试代理协议）方式，即通过JTAG进行远程仿真调试；又可以是ARMUL方式，即无需任何硬件利用AXD嵌入的ARM软件模拟器ARMulator进行调试。

ADS软件功能非常强大，它既支持ARM汇编语言，又支持C、C++、Thumb汇编以及它们的混合编程；它既提供模拟环境，又提供远程仿真；嵌入的CodeWarrior能实现全面的项目管理；调试器支持断点调试和远程下载。

4、简述LTORG伪操作的作用。

答：LTORG伪操作用于声明一个数据缓冲区。当程序中使用某些指令时，需要有一个数据缓冲区，一般缺省的数据缓冲区被定义在段的末尾，这可能使得对数据缓冲池的使用产生越界。LTORG伪操可以将数据缓冲池的位置定义在当前位置（即LTORG伪操作所在的位置），从而避免数据缓冲区越界。

LTORG伪操作通常放在无条件跳转指令之后，或者子程序返回指令之后，这样处理器就不会错误地将数据缓冲池中的数据当作指令来执行。

5、LDR机器指令和LDR伪指令的区别是什么？

答：LDR机器指令主要用于从内存中将一个32位的字数据读取到目标寄存器中，源操作数一定是某种偏移量的基址寄存器寻址方式。而LDR伪指令则用于将一个32位的常数或者一个地址值读取到寄存器中。一般编译器总是把一个32位的常数或者一个地址放到数据缓冲区中，然后用一条基于PC的LDR机器指令来读取该值，或者将该伪指令转换为一条MOV 指令（此时32位的常数是一个合法的立即数）。

6、简述GNU ARM汇编语言程序的基本结构

答：GNU ARM汇编语言语句的基本格式如下：

{：}{} {@ comment}

和标准的ARM汇编语句不同，GNU ARM汇编语句不需要缩进指令或伪指令，符号通过其后的冒号“：”来识别，所有的伪操作前面都加点“.”注释用符号“@”标识。下面是一个基本的GNU ARM汇编程序例子：

.section .text “x”@ 代码段，属性为可执行

_start: .global _start @“_start”是供连接器使用的全局变量

.global main @ 全局变量main

main: mov r1，#74

mov r2，#0xab

.end @ 汇编到此结束

第九章C语言与ARM汇编语言的混合编程

1、为什么需要C语言与ARM汇编的混合编程？ARM如何支持这种混合编程？

答：在ARM应用系统开发中，若所有的编程任务均用ARM汇编语言来完成，则其工作量会非常大，并且不利于系统升级和应用软件移植。若所有的编程任务都用C语言来完成，则对于一些系统的初始化以及一些底层硬件设备的驱动实现会很不方便。因此，ARM系统需要支持C程序和ARM汇编语言的混合编程。在一个完整应用系统的软件实现过程中，除了初始化部分和一些关键代码用ARM汇编语言完成之外，其余大部分的编程任务都可以用C语言来实现。

ARM汇编语言与C语言的混合编程通常有以下几种技术：

●使用内嵌汇编器；

●从汇编代码中访问C程序全局变量；

●ARM汇编程序和C程序间的相互调用。

2、什么是ATPCS？它包括哪些基本规则？

答：ATPCS是ARM-Thumb Procedure Call Standard的缩写，是ARM公司制定的在ARM 系统开发过程中子程序之间相互调用的基本规则。ATPCS强制实现的约定是调用者如何传递参数（即压栈方法，以何种方式存放参数），被调用者如何获取参数，以何种方式传递函数返回值。

ATPCS包括基本A TPCS和特定的ATPCS。

基本ATPCS规定了子程序相互调用时的一些基本规则，包括下面三个方面的内容：

●寄存器的使用规则；

●数据栈的使用规则；

●参数传递的规则。

满足基本ATPCS的程序执行速度较快，占用内存较少。但是，它不能提供以下支持：

●ARM程序和Thumb程序相互调用；

●数据以及代码位置无关的支持；

●子程序的可重入性；

●数据栈检查的支持。

为适应一些特定的需要，在基本A TPCS的基础上再添加其他的规则而形成几种特定的ATPCS。这些特定的ATPCS包括：

●支持数据栈限制检查的ATPCS；

●支持只读段位置无关（ROPI）的ATPCS；

●支持可读写段位置无关（RWPI）的ATPCS；

●支持ARM程序和Thumb程序混合使用的ATPCS；

●处理浮点运算的A TPCS。

3、内迁ARM汇编指令与普通ARM汇编指令一样吗？主要的区别是什么？

答：内嵌汇编指令包括大部分的ARM指令和Thumb指令，但由于它嵌入在C程序中使用，因此在用法上和普通汇编指令有所不同。

（1）．内嵌汇编指令中作为操作数的寄存器和常量可以是C表达式（包括单个变量），但表达式的结果必须是无符号整数，常量前的符号“#”可以省略。

（2）．内嵌汇编指令中使用寄存器时需要注意以下几点：

●通常编译器在进入内嵌汇编代码时会根据需要自动保存和恢复内嵌代码中用到的

寄存器，用户在内嵌代码中不需要去保存和恢复这些寄存器的值；

●编译器可能会使用R12或R13寄存器存放编译的中间结果，在计算表达式时可能

会将寄存器R0~R3、R12以及R14用于子程序调用。因此在内嵌汇编指令中，不

要将这些寄存器同时指定为指令中的物理寄存器，尤其是包含C表达式的指令中。

例如：

在这段代码中，我们希望计算x和x/y的和，并将结果保存在y中。但实际的情况

是编译器在编译x/y表达式时，需要在寄存器R0中返回表达式的商，从而当ADD

时，R0中就已经不是x了；

●在内嵌汇编代码中不能写PC寄存器的值；

●LDM与STM指令的寄存器列表中只能使用物理寄存器，不能使用C表达式；

●通常推荐在内嵌汇编代码中不要指定物理寄存器，因为这可能会影响编译器分配寄

存器，进而影响代码的效率。

（3）．内嵌汇编指令不支持某些伪操作和伪指令。

内嵌汇编器不支持汇编语言中所有用于内存分配的伪操作，也不支持LDR、ADR和ADRL伪指令。

（4）．内嵌汇编代码中SWI和BL指令的用法

SWI和BL指令相当于调用子程序，因此内嵌的SWI和BL指令除了正常的操作数外，还必须增加3个可选的寄存器列表。其格式如下：

SWI{cond} swi_num，{input_regs}，{output_regs}，{corrupted_regs}

BL{cond} function，{input_regs}，{output_regs}，{corrupted_regs}

第一个寄存器列表中的寄存器用于存放输入的参数；

第二个寄存器列表中的寄存器用于存放返回的结果；

第三个寄存器列表中的寄存器的内容可能被被调用的子程序破坏，即这些寄存器是供被调用的子程序来用的。

4、如何确定在应用程序中没有使用semihosting功能？

答：在汇编程序中用伪操作IMPORT __use_no_semihosting_swi，在C语言程序中用语句#pragma import(__use_no_semihosting_swi)来保证应用程序中没有使用semihosting功能。若有，则编译器会报错。

5、在机器上编译运行4.5节给出的例子，熟悉ARM应用程序的基本结构。