一、实验名称：C语言主程序调用ARM子程序
二、实验目的：
- 了解ARM应用程序框架。
- 了解ARM汇编程序函数和C语言程序函数相互调用时，遵循的ATPCS标准；
- 了解和掌握C语言程序调用ARM语言程序函数的基本方法；
- 了解和掌握C语言程序调用ARM汇编程序函数的参数传递过程；
- 掌握内联汇编和嵌入式汇编的编程方法。
三、实验原理：
- ARM工程
由于C语言便于理解，有大量的支持库，所以它是当前ARM程序设计所使用的主要编程语言。
对硬件系统的初始化、CPU状态设定、中断使能、主频设定 以及RAM控制参数初始化等C程序力所不能及的底层操作，还是要由汇编语言程序 来完成。
在应用系统的程序设计中，若所有的编程任务均用汇编语言 来完成，其工作量是可想而知的，这样做也不利于系统升级或应用软件移植。
通常汇编语言部分完成系统硬件的初始化；高级语言部分完成用户的应用。
执行时，首先执行初始化部分，然后再跳转到C/C++部分。整个程序结构显得清晰明了，容易理解。为方便工程开发，ARM公司的开发环境ARM ADS为用户提供了一个可以选用的应用程序框架。该框架把为用户程序做准备工作的程序分成了： 启动代码 和 应用程序初始化 两部分。
用于硬件初始化的汇编语言部分叫做 启动代码；用于应用程序初始化的C部分叫做初始化部分。
2.过程调用标准ATPCS
在ARM工程中，C程序调用汇编函数和汇编程序调用C函数是经常发生的事情。为此人们制定了ARM-Thumb过程调用标准ATPCS（ARM-Thumb Procedure Call Standard）。
- ATPCS规定，ARM的数据堆栈为FD型堆栈，即递减满堆栈。
- ATPCS标准规定，对于参数个数不多于4的函数，编译器必须按参数在列表中的顺序，自左向右为它们分配寄存器R0~R3。其中函数返回时，R0还被用来存放函数的返回值。
- 如果函数的参数多于4个，那么多余的参数则按自右向左的顺序压入数据堆栈，即参数入栈顺序与参数顺序相反。
- 根据ATPCS的C语言程序调用汇编函数，参数由左向右依次传递给寄存器R0~R3的规则
3.C/C++语言和汇编语言的混合编程之: 内联汇编和嵌入式汇编
除了上面介绍的函数调用方法之外，ARM 编译器 armcc 中含有的内嵌汇编器还允许在 C 程序中 内联或嵌入式汇编代码，以提高程序的效率。
所谓内联汇编程序，就是在 C 程序中直接编写汇编程序段而形成一个语句块，这个语句块可以使用除了 BX 和 BLX之外的全部ARM指令来编写，从而可以使程序实现一些不能从C获得的底层功能。
其格式为：
__asm
{
汇编语句块
}
内联汇编 与 真实汇编 之间有很大区别，会受到很多限制。
（1）它不支持 Thumb 指令；除了程序状态寄存器 PSR 之外，不能直接访问其他任何物理寄存器等；
（2）如果在内联汇编程序指令中出现了以某个寄存器名称命名的操作数，那么它被叫做虚拟寄存器，而不是实际的物理寄存器。编译器在生成和优化代码的过程中，会给每个虚拟寄存器分配实际的物理寄存器，但这个物理寄存器可能与在指令中指定的不同。唯一的一个例外就是状态寄存器 PSR ，任何对 PSR 的引用总是执行指向物理 PSR；
（3）在内联汇编代码中不能使用寄存器 PC（R15）、LR（R14）和SP（R13），任何试图使用这些寄存器的操作都会导致出现错误消息；
（4）虽然内联汇编代码可以更改处理器模式，但更改处理器模式会禁止使用 C 操作数或对已编译 C 代码的调用，直到将处理器模式恢复为原设置之后。
嵌入式汇编
嵌入式汇编程序是一个编写在C程序外的单独汇编程序，该程序段可以像函数那样被 C 程序调用。
与内联汇编不同，嵌入式汇编具有真实汇编的所有特性，数据交换符合 ATPCS 标准，同时支持 ARM 和Thumb，所以它可以对目标处理器进行不受限制的低级访问。但是不能直接引用 C/C++ 的变量。
用 _ _asm 声明的嵌入式汇编程序，像 C 函数那样，可以有参数和返回值。定义一个嵌入式汇编函数的语法格式为：
__asm return–type function–name(parameter-list)
{
汇编程序段
}
灵活地使用内联汇编和嵌入式汇编，有助于提高程序效率。
三、实验内容：
- C语言主程序调用ARM指令子程序；
- 程序的参数个数要求至少6个，ARM子程序实现的功能为：（i1+i2+i3+i4）*i5-i6，并返回计算结果。观察参数是如何传递的。
- 在C语言的main函数中，使用内联汇编编写一个函数，使得c语言中定义的3个int类型的变量(a,b,tmp)有如下的关系：tmp =(a+b)*8。
- 以嵌入式汇编的方式，编写一个子程序，实现字节序的转换。该子程序的函数的格式要求如下：int convertNum(int i);要求把输入的整数i（32位，四个字节顺序为ABCD），转换为另一种字节序（转换后的字节序为DCBA），返回结果为转换后的int值。在主程序中调用该子程序，并验证其结果的正确性。
四、实验器材（设备、元器件）：
- PC机一台；
- Keil MDK-ARM uVision4开发工具。
五、实验步骤：
- 打开Keil MDK-ARM uVision4开发工具；
- 新建一个工程文件；
- 在新建的工程文件中，添加新的源程序文件
- 编写代码
- 选择“Build target”菜单对编写好的工程文件进行编译链接。
- 点击““Start/Stop Debug Section””按键，对程序进行跟踪调试，在调试界面，单步执行，对CPU各寄存器的值的变化、以及相关内存的变化进行分析比较，判断程序的执行是否符合预期要求。
六、实验结果与分析（含重要数据结果分析或核心代码流程分析）
- 程序代码
C语言代码如代码4所示。
代码4 C语言主程序代码
| #include<stdio.h> #include<stdlib.h> extern int arm_subfunction(int,int,int,int,int,int); int convertNum(int); int main(){ int x1 = arm_subfunction(1,2,3,4,5,6); int a = 0,b = 1,tmp = 2; __asm{ ADD tmp,a,b MOV R0,#0x08 MUL tmp,R0,tmp } int num = 0xAABBCCDD; num = convertNum(num); } __asm int convertNum(int i){ EOR R1,R0,R0, ROR #16 BIC R1,R1,#0xFF0000 MOV R0,R0,ROR #8 EOR R0,R0,R1,LSR #8 BX LR } |
汇编程序代码如代码5所示。
代码5 C语言主程序调用ARM指令子程序的汇编程序部分
| AREA armcode,CODE,READONLY EXPORT arm_subfunction arm_subfunction STMDB SP!,{R4-R5} LDR R4,[SP,#0x08] LDR R5,[SP,#0x0c] ADD R0,R0,R1 ADD R0,R0,R2 ADD R0,R0,R3 MUL R4,R0,R4 SUB R0,R4,R5 LDMIA SP!,{R4-R5} BX LR END |
2、结论分析
（1）C语言调用ARM子程序时，在输入参数多余4个（比如是6个）的情况下前四个参数通过R0-R3传递，后面多余的参数会按照从右向左的顺序压栈。 （2）结果通过R0返回。
（3）ARM通过R0-R3获取前四个参数，后面剩余的参数，通过访问堆栈获取。
3、实验结论
由上述实验结果可知，C语言主程序在调用ARM汇编子程序时，当参数个数多于四个时，前四个参数通过R0-R3传递，多余的参数通过堆栈传递。调用嵌入书汇编程序函数的过程与之类似。C语言程序执行内联汇编代码时，可以直接使用C语言程序中的变量。
