STM32单片机汇编语言详解：深入底层，揭秘单片机核心奥秘

# 1. STM32单片机汇编语言简介

汇编语言是一种低级编程语言，它直接操作计算机的硬件指令集。与高级语言不同，汇编语言更接近于计算机的底层运行机制，因此可以对程序进行精细的控制和优化。

STM32单片机是一种基于ARM Cortex-M内核的微控制器，它支持汇编语言编程。汇编语言对于STM32单片机开发具有重要意义，因为它可以充分利用单片机的硬件资源，实现高性能和低功耗的应用。

汇编语言的学习需要扎实的计算机基础知识，包括计算机体系结构、指令集和存储器管理等。掌握汇编语言可以帮助开发者深入理解计算机的工作原理，为后续高级语言编程和系统开发奠定坚实的基础。

# 2. STM32单片机汇编语言基础

### 2.1 汇编语言的基本语法和指令

#### 2.1.1 寄存器和寻址方式

**寄存器**

STM32单片机拥有丰富的寄存器资源，用于存储数据和控制程序执行。寄存器可以分为通用寄存器、特殊功能寄存器和系统寄存器。

**寻址方式**

寻址方式是指访问内存中的数据或指令的方法。STM32汇编语言支持多种寻址方式，包括：

* **寄存器寻址：**直接使用寄存器中的值作为操作数。
* **立即寻址：**操作数直接写在指令中。
* **直接寻址：**操作数是内存地址。
* **间接寻址：**操作数是存储在寄存器中的内存地址。
* **相对寻址：**操作数是相对于当前指令地址的偏移量。

#### 2.1.2 指令格式和分类

**指令格式**

STM32汇编语言指令一般采用以下格式：

<操作码> <操作数1>, <操作数2>

其中：

* `<操作码>`是指令的操作代码，指定要执行的操作。
* `<操作数>`是指令的操作数，可以是寄存器、内存地址或立即值。

**指令分类**

STM32汇编语言指令可以分为以下几类：

* **数据传输指令：**用于在寄存器、内存和外设之间传输数据。
* **算术逻辑指令：**用于执行算术和逻辑运算。
* **分支指令：**用于控制程序执行流程。
* **特殊功能指令：**用于控制单片机的特殊功能，如中断和复位。

### 2.2 汇编语言的程序结构

#### 2.2.1 程序段、数据段和堆栈

**程序段**

程序段存储程序代码，包括指令和数据。

**数据段**

数据段存储程序中使用的常量和变量。

**堆栈**

堆栈是一个先进先出（LIFO）的数据结构，用于存储函数调用参数、局部变量和临时数据。

#### 2.2.2 子程序和中断处理

**子程序**

子程序是一种可重用的代码块，可以被主程序或其他子程序调用。

**中断处理**

中断是一种硬件机制，当外部事件发生时，可以暂停当前程序执行并跳转到中断服务程序。

# 3. STM32单片机汇编语言进阶

### 3.1 汇编语言的优化技术

汇编语言的优化技术是指通过对汇编代码进行分析和修改，以提高代码的执行效率和空间利用率。常见的汇编语言优化技术包括：

**3.1.1 循环优化**

循环优化是指对循环代码进行优化，以减少循环执行次数或提高循环执行效率。常见的循环优化技术包括：

* **循环展开：**将循环体中的代码复制到循环外，从而消除循环开销。
* **循环合并：**将相邻的循环合并成一个循环，从而减少循环开销。
* **循环剥离：**将循环体中的一部分代码剥离到循环外，从而减少循环执行次数。

**3.1.2 分支优化**

分支优化是指对分支指令进行优化，以减少分支开销或提高分支预测准确性。常见的分支优化技术包括：

* **分支预测：**根据分支历史记录预测分支方向，从而减少分支开销。
* **条件合并：**将多个条件合并成一个条件，从而减少分支指令数量。
* **无条件跳转：**使用无条件跳转指令代替条件跳转指令，从而减少分支开销。

### 3.2 汇编语言的调试技巧

汇编语言的调试技巧是指通过使用调试工具和方法，对汇编代码进行调试，以查找和修复错误。常见的汇编语言调试技巧包括：

**3.2.1 调试工具和方法**

* **单步执行：**逐条执行汇编代码，观察寄存器和内存的变化。
* **断点：**在特定的代码位置设置断点，当代码执行到断点时暂停执行。
* **反汇编：**将机器码反汇编成汇编代码，以便查看代码执行流程。

**3.2.2 常见错误和解决办法**

* **语法错误：**检查汇编代码语法，确保没有语法错误。
* **地址错误：**检查寄存器和内存地址，确保它们指向正确的地址。
* **逻辑错误：**分析汇编代码逻辑，找出逻辑错误。
* **堆栈溢出：**检查堆栈使用情况，确保没有堆栈溢出。

# 4. STM32单片机汇编语言实践

### 4.1 GPIO操作

#### 4.1.1 GPIO寄存器结构

STM32单片机的GPIO寄存器结构如下：

| 寄存器 | 描述 |
|---|---|
| GPIOx_MODER | 模式寄存器，用于配置GPIO引脚的模式（输入、输出、模拟、复用功能） |
| GPIOx_OTYPER | 输出类型寄存器，用于配置GPIO引脚的输出类型（推挽输出、开漏输出） |
| GPIOx_OSPEEDR | 输出速度寄存器，用于配置GPIO引脚的输出速度（低速、中速、高速） |
| GPIOx_PUPDR | 上拉/下拉寄存器，用于配置GPIO引脚的上拉/下拉电阻（上拉、下拉、浮空） |
| GPIOx_IDR | 输入数据寄存器，用于读取GPIO引脚的输入数据 |
| GPIOx_ODR | 输出数据寄存器，用于设置GPIO引脚的输出数据 |

#### 4.1.2 GPIO输入输出控制

**输入模式配置**

; 配置GPIOA引脚0为输入模式
LDR R0, =GPIOA_MODER
STR R0, [R0, #0] ; 将0写入MODER寄存器的第0位，配置PA0为输入模式

**输出模式配置**

; 配置GPIOA引脚0为输出模式
LDR R0, =GPIOA_MODER
ORR R0, R0, #0x1 ; 将0x1按位或到MODER寄存器的第0位，配置PA0为输出模式
STR R0, [R0, #0]

**输出数据控制**

; 设置GPIOA引脚0输出高电平
LDR R0, =GPIOA_ODR
ORR R0, R0, #0x1 ; 将0x1按位或到ODR寄存器的第0位，设置PA0输出高电平
STR R0, [R0, #0]

### 4.2 定时器操作

#### 4.2.1 定时器寄存器结构

STM32单片机的定时器寄存器结构如下：

| 寄存器 | 描述 |
|---|---|
| TIMx_CR1 | 控制寄存器1，用于配置定时器的时钟源、计数模式、预分频等 |
| TIMx_CR2 | 控制寄存器2，用于配置定时器的触发源、输出比较模式等 |
| TIMx_PSC | 预分频寄存器，用于设置定时器的时钟预分频系数 |
| TIMx_ARR | 自动重装载寄存器，用于设置定时器的重装载值 |
| TIMx_CNT | 计数器寄存器，用于存储当前计数值 |
| TIMx_SR | 状态寄存器，用于指示定时器的当前状态（中断标志、更新标志等） |

#### 4.2.2 定时器模式和配置

**基本定时器模式**

STM32单片机支持多种定时器模式，其中基本定时器模式用于产生周期性中断或波形输出。

; 配置TIM2为基本定时器模式
LDR R0, =TIM2_CR1
ORR R0, R0, #0x1 ; 将0x1按位或到CR1寄存器的第0位，使能定时器
STR R0, [R0, #0]

; 设置TIM2的时钟源为APB1时钟，预分频系数为1000
LDR R0, =TIM2_PSC
MOV R1, #1000
STR R1, [R0, #0]

; 设置TIM2的重装载值为1000
LDR R0, =TIM2_ARR
MOV R1, #1000
STR R1, [R0, #0]

**输入捕获模式**

输入捕获模式用于捕获外部事件的发生时间。

sequenceDiagram
participant User
participant System
User->System: 发送中断请求
System->User: 执行中断服务程序

; 配置TIM2为输入捕获模式
LDR R0, =TIM2_CR1
ORR R0, R0, #0x2 ; 将0x2按位或到CR1寄存器的第1位，使能输入捕获模式
STR R0, [R0, #0]

; 设置TIM2的时钟源为APB1时钟，预分频系数为1000
LDR R0, =TIM2_PSC
MOV R1, #1000
STR R1, [R0, #0]

; 设置TIM2的捕获比较寄存器1（CCR1）为1000
LDR R0, =TIM2_CCR1
MOV R1, #1000
STR R1, [R0, #0]

# 5. STM32单片机汇编语言高级应用

### 5.1 中断处理

#### 5.1.1 中断向量表和中断优先级

**中断向量表**

中断向量表是一个存储在特定内存地址的表，其中包含每个中断源的地址。当发生中断时，CPU会自动跳转到中断向量表中相应的中断服务程序地址。

STM32单片机的中断向量表位于地址0x00000000。每个中断源都有一个对应的向量表项，指向该中断源的中断服务程序。

**中断优先级**

STM32单片机支持中断优先级，允许某些中断源比其他中断源具有更高的优先级。当多个中断同时发生时，具有更高优先级的中断将被优先处理。

中断优先级通过NVIC（嵌套向量中断控制器）中的优先级寄存器进行配置。每个中断源都有一个对应的优先级寄存器，可以设置其优先级。

#### 5.1.2 中断服务程序

**中断服务程序（ISR）**

中断服务程序是当发生中断时执行的代码。ISR必须位于中断向量表中相应的中断源的地址处。

ISR的结构通常如下：

; 中断服务程序
ISR_Name:
    ; 保存寄存器
    push {r0, r1, r2, r3, r12, lr}
    ; 处理中断
    ; ...
    ; 恢复寄存器
    pop {r0, r1, r2, r3, r12, lr}
    ; 返回
    bx lr

**保存和恢复寄存器**

在进入ISR之前，需要保存当前的寄存器值，以便在ISR执行完成后恢复它们。这是因为ISR可能会修改寄存器值，而这些值在ISR执行后仍然需要。

**处理中断**

ISR中包含处理中断的代码。这可能包括读取中断状态寄存器、清除中断标志、执行中断处理逻辑等。

**返回**

ISR执行完成后，需要恢复寄存器值并返回到中断发生前的代码。这是通过`bx lr`指令实现的，该指令将从链接寄存器（lr）中获取返回地址并跳转到该地址。

### 5.2 DMA操作

#### 5.2.1 DMA控制器结构

DMA（直接内存访问）控制器是一个外设，允许在不涉及CPU的情况下在内存和外设之间传输数据。

STM32单片机有多个DMA控制器，每个控制器都有多个通道。每个通道可以配置为执行特定的数据传输任务。

DMA控制器结构通常如下：

- **控制寄存器：**用于控制DMA操作的全局设置，例如使能/禁用DMA、选择传输方向等。
- **通道寄存器：**用于配置每个通道的特定设置，例如源地址、目标地址、传输大小等。
- **中断寄存器：**用于处理DMA操作完成或错误时触发的中断。

#### 5.2.2 DMA传输配置

**配置DMA通道**

要配置DMA通道，需要设置以下参数：

- **源地址：**要传输数据的源地址。
- **目标地址：**要传输数据的目标地址。
- **传输大小：**要传输的数据量（以字节为单位）。
- **传输方向：**数据从源地址传输到目标地址还是从目标地址传输到源地址。
- **数据宽度：**要传输的数据的宽度（8位、16位或32位）。

**启动DMA传输**

配置DMA通道后，可以通过设置DMA控制寄存器中的使能位来启动DMA传输。

**DMA传输中断**

当DMA传输完成或发生错误时，DMA控制器会触发中断。可以通过配置DMA中断寄存器来处理这些中断。

# 6.1 LED闪烁程序

在本章节中，我们将编写一个简单的汇编语言程序，该程序将在STM32单片机上闪烁一个LED。

; LED闪烁程序
; 使用GPIOA的第5位作为LED引脚

; 寄存器定义
; GPIOA基地址
GPIOA_BASE equ 0x40020000

; GPIOA寄存器偏移量
GPIOA_MODER equ 0x00
GPIOA_ODR equ 0x14

; LED引脚编号
LED_PIN equ 5

; 主程序入口
main:
    ; 使能GPIOA时钟
    ldr r0, =0x40023830
    ldr r1, =0x01
    str r1, [r0]

    ; 设置GPIOA第5位为输出模式
    ldr r0, =GPIOA_BASE + GPIOA_MODER
    ldr r1, =0x04000000
    str r1, [r0]

    ; 循环闪烁LED
loop:
    ; 设置GPIOA第5位为高电平
    ldr r0, =GPIOA_BASE + GPIOA_ODR
    ldr r1, =0x20
    str r1, [r0]

    ; 延时1秒
    ldr r0, =0x2000000
    subs r0, r0, #1
1:
    subs r0, r0, #1
    bne 1b

    ; 设置GPIOA第5位为低电平
    ldr r0, =GPIOA_BASE + GPIOA_ODR
    ldr r1, =0x00
    str r1, [r0]

    ; 延时1秒
    ldr r0, =0x2000000
    subs r0, r0, #1
2:
    subs r0, r0, #1
    bne 2b

    ; 跳转到循环开始处
    b loop

**程序说明：**

* **寄存器定义：**定义了GPIOA基地址、GPIOA寄存器偏移量和LED引脚编号。
* **主程序入口：**`main`函数是程序的入口点。
* **使能GPIOA时钟：**通过设置RCC时钟寄存器使能GPIOA时钟。
* **设置GPIOA第5位为输出模式：**通过设置GPIOA模式寄存器将GPIOA第5位配置为输出模式。
* **循环闪烁LED：**程序进入一个无限循环，在循环中交替设置GPIOA第5位为高电平和低电平，从而实现LED闪烁。
* **延时：**使用两个嵌套循环实现延时，每个循环执行200万次减法操作。