一、实验名称：ARM主程序调用ARM/C语言子程序
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ARM汇编程序调用C语言程序函数的基本方法；
- 了解和掌握ARM汇编程序调用C语言程序函数的参数传递过程。
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。
ARM工程 的各种源文件之间的关系，以及最后形成可执行文件的过程如下图1所示：
图1 汇编语言和C语言混合编译链接示意图
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。整个程序如下图2所示：
图2 ARM应用程序框架
- 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。
- 子程序的调用与返回
人们把可以多次反复调用的、能完成指定功能的程序段称为“子程序”。把调用子程序的程序称为“主程序”。
为进行识别，子程序的 第1条指令 之前必须赋予一个 标号，以便其他程序可以用这个标号调用子程序。
在 ARM 汇编语言程序中，主程序一般通过 BL 指令来调用子程序。该指令在执行时完成如下操作：将子程序的返回地址存放在连接寄存器 LR 中，同时将程序计数器 PC 指向子程序的入口点。
为使子程序执行完毕能 返回 主程序的调用处，子程序末尾 处应有 MOV、LDMFD 等指令，并在指令中将返回地址重新复制到 PC 中。
在调用子程序的同时，也可以使用 R0~R3 来进行 参数的传递 和从子程序返回 运算结果。
四、实验内容：
- ARM指令主程序调用ARM指令子程序；
- ARM指令主程序调用C语言子程序，输入的6个参数为1、2、3、4、5、6;
- 子程序的参数个数要求至少6个， C语言子程序实现的功能为：（i1+i2+i3+i4）*i5-i6。
- 分析通过反汇编得到的C程序的ARM指令代码段，了解参数传递过程。
五、实验器材（设备、元器件）：
- PC机一台；
- Keil MDK-ARM uVision4开发工具。
六、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。
七、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）
- ARM指令主程序调用ARM指令子程序；程序代码
（1）程序代码如代码1所示：
AREA lab3,CODE,READONLY
ENTRY
MOV R0,#0x01
MOV R1,#0x02
BL arm_func ;调用ARM子程序
B final
arm_func ;ARM子程序用来实现将R0和R1的值相加保存在R6中
ADD R6,R0,R1
BX LR
final
END（2）运行过程及结果界面截图
图1 ARM指令主程序调用ARM指令子程序运行结果截图
（3）实验结果分析
执行程序后，首先将R0,R1分别初始化为0x01、0x02，之后调用ARM子程序arm_func，将R0跟R1的内容相加送到R6，此时可以看到R6的内容为0x03结果正确。
（4）实验结论
实验结果与期望结果一致，ARM子程序执行正确。
2.ARM指令主程序调用C语言子程序；
- 程序代码
ARM指令主程序如代码2所示
代码2 ARM指令主程序调用C语言子程序的RM指令主程序
PRESERVE8
IMPORT c_func ;声明c_func为外部引用符号
AREA lab3,CODE,READONLY
ENTRY
LDR SP,=0x40000100 ;初始化堆栈指针SP
MOV R0,#0x01
MOV R1,#0x02
MOV R2,#0x03
MOV R3,#0x04
MOV R4,#0x05
MOV R5,#0x06
STMFD SP!,{R4,R5} ;多余两个参数压栈
BL c_func ;调用c程序
MOV R0,R0
ENDC语言子程序代码如代码3所示
代码3 RM指令主程序调用C语言子程序的C语言子程序
#include<stdio.h>
int c_func(int i1,int i2,int i3,int i4,int i5,int i6){
return (i1 + i2 + i3 + i4) * i5 - i6;
}- 运行过程及结果界面截图
图2是程序即将调用C子程序的截图，将R0-R5分别初始化为0x01、0x02、0x03、0x04、0x05、0x06，由于参数个多余四个，因此将多余的两个参数压栈。
图2 程序即将调用C子程序的截图
图3是程序跟踪进入C语言子程序的截图，可以看到函数已经接收到了六个参数值。
图3 程序跟踪进入C语言子程序的截图
图4是调用C程序返回后的截图，函数返回值0x2C保存到R0中。
图4 程序跟踪进入C语言子程序的截图
- 实验结论
函数的接收到的六个参数分别为0x01、0x02、0x03、0x04、0x05、0x06，经（i1+i2+i3+i4）*i5-i6运算后结果为0x2C并返回，从R0的值为0x2C可以看出，ARM程序成功接收到C语言函数返回值。
七、总结及心得体会：
（1）心得体会：通过本次实验我进一步了解了ARM应用程序框架，掌握了在ARM汇编程序函数和C语言程序函数相互调用时需要遵循的ATPCS标准；同时我也了解和掌握ARM汇编程序调用C语言程序函数的基本方法以及ARM汇编程序调用C语言程序函数的参数传递过程。
（2）思考题：
1）在ARM汇编程序中，参数多余4个（比如为6个）时，多余的参数会按照从右向左的顺序压栈。
2）调用C语言函数前SP寄存器的值以及C函数返回后SP寄存器的值没有发生变化，进入C语言函数时，会先进行现场保护将会用到的寄存器压栈保存，此时SP的值变小，C语言函数执行完之后，会进行恢复现场的出栈操作，SP值变大，恢复到调用C语言函数前的值。
3）如果参数多余4个的话，前四个参数通过R0-R3寄存器传递，剩下的参数通过LDR指令从栈中依次取出；在C语言函数入口使用STMDB指令将函数中所用到的其他寄存器压栈保存依次来保护现场，之后C语言函数出口，使用LDMIA指令进行出栈进行恢复现场。
