3. PRU汇编指令集与编程模型

PRU（Programmable Real-time Unit）是TI Sitara AM335x/AM57x等芯片中独立于ARM Cortex-A核的32位RISC协处理器，主频200MHz（AM335x），单周期指令吞吐，没有流水线冒险、没有Cache、没有MMU。它的可预测性正是实时控制场景最看重的特性。要写出可靠的PRU固件，必须先吃透它的汇编指令格式、寄存器组和寻址方式，否则很容易在时序上"差之毫厘，谬以千里"。

一、指令格式：32位定长，三段式编码

PRU的每条指令都是32位定长，格式非常规整，可以拆成三个字段：

• 操作码（Opcode）：位于bit[31:24]，8位，决定指令类型（如MOV、ADD、LDI、QBA、XIN等）。
• 目的/源寄存器字段：位于bit[23:16]和bit[15:8]，各8位，用于指定Rd（目的）和Rs（源）。
• 立即数/偏移字段：位于bit[7:0]，8位，用于短立即数、IO偏移或分支偏移。

这种"8+8+8+8"的布局意味着：PRU汇编中所有寄存器编号、立即数、IO偏移都必须在8位范围内。例如寄存器R0~R31编号只需5位，但字段留了8位；而IO偏移最大255字节，正好用满8位。当需要16位或32位立即数时，必须用LDI指令分两次装载（LDI Rd, #imm16 装载低16位，LDI Rd.w2, #imm16 装载高16位），这是初学者最容易踩的坑。

二、寄存器组：R0~R31 + 特殊寄存器

PRU有32个通用寄存器R0~R31，每个32位。它们并非完全等价，有几条硬性约定：

• R0：复位后默认指向PRU本地数据RAM的起始地址（0x0000），常作为基址寄存器使用。
• R1：复位后默认指向PRU共享RAM（Shared RAM）的起始地址（0x00010000），用于与ARM通信。
• R2：复位后默认指向PRU中断控制器（INTC）的基址，用于配置中断。
• R3~R31：完全通用，可自由使用。

此外还有几个特殊寄存器：PC（程序计数器）、SP（栈指针，实际由R31.w0充当）、ST（状态寄存器，记录进位、溢出、零标志等）。状态寄存器ST的bit0是进位C，bit1是零Z，bit2是溢出V，bit3是符号N，条件分支就依赖这些标志位。

三、寻址模式：只有三种，但够用

PRU的寻址模式非常精简，只有三种：

1. 寄存器直接寻址：操作数就是寄存器本身，如 MOV R4, R5。
2. 寄存器间接寻址：寄存器中存放的是地址，如 LBBO R4, R5, 0, 4 表示从R5指向的地址偏移0处读取4字节到R4。这是访问内存和IO的主要方式。
3. 立即数寻址：操作数直接写在指令中，如 LDI R4, 0x1234。

注意PRU没有变址寻址、没有自动递增、没有复杂的寻址模式。所有内存访问都必须通过LBBO（Load Byte Burst Offset）和SBBO（Store Byte Burst Offset）指令，配合基址寄存器+偏移量完成。偏移量可以是8位立即数，也可以是寄存器。

四、循环控制：硬件循环是PRU的杀手锏

PRU最独特的特性之一是硬件循环指令，这是它区别于普通RISC核的关键。PRU提供三条循环指令：

• LOOP：执行循环体，循环次数由指令中的立即数指定（1~65535）。
• ILOOP：与LOOP类似，但循环体在指令之后立即开始，不需要额外的跳转。
• QBA：快速分支，用于条件循环。

硬件循环的最大优势是零开销：循环计数、条件判断、跳转全部由硬件完成，不占用指令周期。例如要产生一个精确的1μs延时（200MHz下200个周期），可以这样写：

; 精确延时示例：200个周期
; 假设进入时已消耗若干周期，此处仅示意
LOOP  R10, 50      ; 循环50次，每次4周期
    NOP            ; 1周期
    NOP            ; 1周期
    NOP            ; 1周期
    NOP            ; 1周期
; 循环结束，共200周期

如果用普通跳转实现，每次循环都要执行"减法+比较+跳转"三条指令，不仅多占周期，还会引入不可预测的流水线效应。硬件循环让PRU的时序完全可计算，这是它用于电机控制、PWM生成等场景的根本原因。

五、分支与IO操作

PRU的分支指令包括JMP（无条件跳转）、JAL（跳转并链接，用于函数调用）、QBGT/QBLE/QBEQ等条件分支。条件分支依赖ST寄存器中的标志位，例如 QBGT label, R4, R5 表示当R4 > R5时跳转到label。

IO操作是PRU的另一大特色。PRU有专门的XIN/XOUT指令用于与外部设备交换数据，以及XCHG用于原子交换。更常用的是通过PRU IO寄存器直接读写引脚：

; 读取PRU IO输入
LBBO R4, R31, 0x00, 4   ; 从R31偏移0读取4字节
; 写PRU IO输出
SBBO R4, R31, 0x04, 4   ; 写4字节到R31偏移4

这里的R31是PRU的IO基址寄存器，偏移0x00对应输入，0x04对应输出。通过这种方式，PRU可以在单周期内完成引脚状态读取或输出翻转，实现纳秒级响应。

六、编程模型实战要点

把上述知识串起来，写PRU汇编时要注意几个关键点：

• 寄存器分配：R0~R2有默认用途，建议保留；R3~R30自由使用，但函数调用时要保存现场（PRU没有硬件栈，需要手动用R31.w0做栈指针）。
• 立即数装载：超过8位的立即数必须用LDI分两次装载，且要注意字节序（PRU是小端）。
• 循环嵌套：硬件循环不支持嵌套，嵌套循环需要手动用寄存器计数+条件分支实现。
• IO时序：LBBO/SBBO访问IO有固定延迟（通常2~3周期），精确时序控制时要计入。
• 中断处理：PRU中断向量表固定在0x0000，中断服务程序要尽量短，避免影响主循环时序。