Привет всем!
По роду деятельности я программист на Java. Последние месяцы работы заставили меня познакомиться с разработкой под Android NDK и соответственно написание нативных приложений на С. Тут я столкнулся с проблемой оптимизации Linux библиотек. Многие оказались абсолютно не оптимизированы под ARM и сильно нагружали процессор. Ранее я практически не программировал на ассемблере, поэтому сначала было сложно начать изучать этот язык, но все же я решил попробовать. Эта статья написана, так сказать, от новичка для новичков. Я постараюсь описать те основы, которые уже изучил, надеюсь кого-то это заинтересует. Кроме того, буду рад конструктивной критике со стороны профессионалов.

Введение

Итак, для начала разберёмся что же такое ARM. Википедия дает такое определение:

Архитектура ARM (Advanced RISC Machine, Acorn RISC Machine, усовершенствованная RISC-машина) - семейство лицензируемых 32-битных и 64-битных микропроцессорных ядер разработки компании ARM Limited. Компания занимается исключительно разработкой ядер и инструментов для них (компиляторы, средства отладки и т. п.), зарабатывая на лицензировании архитектуры сторонним производителям.

Если кто не знает, сейчас большая часть мобильных устройств, планшетов разработаны именно на этой архитектуре процессоров. Основным преимуществом данного семейства является низкое энергопотребление, благодаря чему он часто используется в различных встроенных системах. Архитектура развивалась с течением времени, и начиная с ARMv7 были определены 3 профиля: ‘A’(application) - приложения, ‘R’(real time) - в реальном времени,’M’(microcontroller) - микроконтроллер. Историю разработки этой технологии и другие интересный данные вы можете прочитать в Википедии или погуглив в интернете. ARM поддерживает разные режимы работы (Thumb и ARM, кроме того в последние время появился Thumb-2, являющийся смесью ARM и Thumb). В данной статье рассмотрим собственно режим ARM, в котором исполняется 32-битный набор команд.

Каждый ARM процессор создан из следующих блоков:

• 37 регистров (из которых видимых при разработке только 17)
• Арифметико-логи́ческое устройство (АЛУ) - выполняет арифметические и логические задачи
• Barrel shifter - устройство, созданное для перемещения блоков данных на определенное количество бит
• The CP15 - специальная система, контроллирующая ARM сопроцессоры
• Декодер инструкций - занимается преобразованием инструкции в последовательность микроопераций

Это не все составляющие ARM, но углубление в дебри построения процессоров не входит в тему данной статьи.

Конвейерное исполнение (Pipeline execution)

В ARM процессорах используется 3-стадийный конвейер (начиная с ARM8 был реализова 5-стадийный конвейер). Рассмотрим простой конвейер на примере процессора ARM7TDMI. Исполнение каждой инструкции состоит из трёх ступеней:

1. Этап выборки (F)
На этом этапе инструкции поступают из ОЗУ в конвейер процессора.
2. Этап декодирования (D)
Инструкции декодируются и распознаётся их тип.
3. Этап исполнения (E)
Данные поступают в ALU и исполняются и полученное значение записывается в заданный регистр.

Но при разработке надо учитывать, что, есть инструкции, которые используют несколько циклов исполнения, например, load(LDR) или store. В таком случае этап исполнения (E) разделяется на этапы (E1, E2, E3...).

Условное выполнение

Одна из важнейших функций ARM ассемблера - условное выполнение. Каждая инструкция может исполняться условно и для этого используются суффиксы. Если суффикс добавляется к названию инструкции, то прежде чем выполнить ее, происходит проверка параметров. Если параметры не соответствуют условию, то инструкция не выполняется. Суффиксы:
MI - отрицательное число
PL - положительное или ноль
AL - выполнять инструкцию всегда
Суффиксов условного выполнения намного больше. Остальные суффиксы и примеры прочитать в официальной документации: ARM документация
А теперь пришло время рассмотреть…

Основы синтаксиса ARM ассемблера

Тем, кто раньше работал с ассемблером этот пункт можно фактически пропустить. Для всех остальных опишу основы работы с этим языком. Итак, каждая программа на ассемблере состоит из инструкций. Инструкция создаётся таким образом:
{метка} {инструкция|операнды} {@ комментарий}
Метка - необязательный параметр. Инструкция - непосредственно мнемоника инструкции процессору. Основные инструкции и их использование будет разобрано далее. Операнды - константы, адреса регистров, адреса в оперативной памяти. Комментарий - необязательный параметр, который не влияет на исполнение программы.

Имена регистров

Разрешены следующие имена регистров:
1.r0-r15

3.v1-v8 (переменные регистры, с r4 по r11)

4.sb and SB (статический регистр, r9)

5.sl and SL (r10)

6.fp and FP (r11)

7.ip and IP (r12)

8.sp and SP (r13)

9.lr and LR (r14)

10.pc and PC (программный счетчик, r15).

Переменные и костанты

В ARM ассемблере, как и любом (практически) другом языке программирования могут использоваться переменные и константы. Они разделяются на такие типы:

• Числовые
• Логические
• Строковые

Числовые переменные инициализируются так:
a SETA 100; создается числовая переменная «a» с значением 100.
Строковые переменные:
improb SETS «literal»; создается переменная improb с значение «literal». ВНИМАНИЕ! Значение переменной не может превышать 5120 символов.
В логических переменных соответственно используются значения TRUE и FALSE.

Примеры инструкций ARM ассемблера

В данной таблице я собрал основные инструкции, которая потребуется для дальнейшей разработки (на самом базовом этапе:):

Чтобы закрепить использование основных инструкций давайте напишем несколько простых примеров, но сначала нам понадобится arm toolchain. Я работаю в Linux поэтому выбрал: frank.harvard.edu/~coldwell/toolchain (arm-unknown-linux-gnu toolchain). Ставится он проще простого, как и любая другая программа на Linux. В моем случае (Russian Fedora) понадобилось только установить rpm пакеты с сайта.
Теперь пришло время написать простейший пример. Программа будет абсолютно бесполезной, но главное, что будет работать:) Вот код, который я вам предлагаю:
start: @ Необязательная строка, обозначающая начало программы mov r0, #3 @ Грузим в регистр r0 значение 3 mov r1, #2 @ Делаем тоже самое с регистром r1, только теперь с значением 2 add r2, r1, r0 @ Складываем значения r0 и r1, ответ записываем в r2 mul r3, r1, r0 @ Умножаем значение регистра r1 на значение регистра r0, ответ записываем в r3 stop: b stop @ Строка завершения программы
Компилируем программу до получения.bin файла:
/usr/arm/bin/arm-unknown-linux-gnu-as -o arm.o arm.s /usr/arm/bin/arm-unknown-linux-gnu-ld -Ttext=0x0 -o arm.elf arm.o /usr/arm/bin/arm-unknown-linux-gnu-objcopy -O binary arm.elf arm.bin
(код в файле arm.s, а toolchain в моем случае лежит в директории /usr/arm/bin/)
Если все прошло успешно, у вас будет 3 файла: arm.s (собственно код), arm.o, arm.elf, arm.bin (собственно исполняемая программа). Для того, чтобы проверить работу программы не обязательно иметь собственное arm устройство. Достаточно установить QEMU. Для справки:

QEMU - свободная программа с открытым исходным кодом для эмуляции аппаратного обеспечения различных платформ.

Включает в себя эмуляцию процессоров Intel x86 и устройств ввода-вывода. Может эмулировать 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, AMD64 и другие x86-совместимые процессоры; PowerPC, ARM, MIPS, SPARC, SPARC64, m68k - лишь частично.

Работает на Syllable, FreeBSD, FreeDOS, Linux, Windows 9x, Windows 2000, Mac OS X, QNX, Android и др.

Итак, для эмуляции arm понадобится qemu-system-arm. Этот пакет есть в yum, так что тем, у кого Fedora, можно не заморачиваться и просто выполнить комманду:
yum install qemu-system-arm

Далее надо запустить эмулятор ARM, так, чтобы он выполнил нашу программу arm.bin. Для этого создадим файл flash.bin, который будет флэш памятью для QEMU. Сделать это очень просто:
dd if=/dev/zero of=flash.bin bs=4096 count=4096 dd if=arm.bin of=flash.bin bs=4096 conv=notrunc
Теперь грузим QEMU с полученой flash памятью:
qemu-system-arm -M connex -pflash flash.bin -nographic -serial /dev/null
На выходе вы получите что-то вроде этого:

$ qemu-system-arm -M connex -pflash flash.bin -nographic -serial /dev/null
QEMU 0.15.1 monitor - type "help" for more information
(qemu)

Наша программа arm.bin должна была изменить значения четырех регистров, следовательно для проверки правильности работы давайте посмотрим на эти самые регистры. Делается это очень простой коммандой: info registers
На выходе вы увидите все 15 ARM регистров, при чем у четырех из них будут измененные значения. Проверьте:) Значения регистров совпадают с теми, которые можно ожидать после исполнения программы:
(qemu) info registers R00=00000003 R01=00000002 R02=00000005 R03=00000006 R04=00000000 R05=00000000 R06=00000000 R07=00000000 R08=00000000 R09=00000000 R10=00000000 R11=00000000 R12=00000000 R13=00000000 R14=00000000 R15=00000010 PSR=400001d3 -Z-- A svc32

P.S. В этой статье я постарался описать основы программирования на ARM ассемблер. Надеюсь вам понравилось! Этого хватит для того, чтобы далее углубляться в дебри этого языка и писать на нем программы. Если все получится, буду писать дальше о том, что узнаю сам. Если есть ошибки, прошу не пинать, так как я новичок в ассемблере.

Поначалу ARM довольно непривычный ассемблер (если переучиваться с x86 , MCS51 или AVR ). Но у него довольно простая и логичная организация, поэтому усваивается быстро.

Документации на русском языке по ассемблеру совсем мало. Могу посоветовать зайти на 2 ссылки (может, Вы найдете больше, и подскажете мне? Буду благодарен.):
Архитектура и система команд RISС-процессоров семейства ARM - http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/micros/arm/index.htm
Постигаем ассемблер ARM, из цикла статей «GBA ASM», автор Mike H, пер. Aquila - http://wasm.ru/series.php?sid=21 .

Последняя ссылка мне очень помогла, развеяла туман =). Второе, что хорошо может помочь - это, как ни странно, C-компилятор IAR Embedded Workbench for ARM (далее просто IAR EW ARM ). Дело в том, что он со стародавних времен умеет (как и все уважающие себя компиляторы, впрочем) компилировать C-код в код ассемблера, который, в свою очередь, так же легко компилируется ассемблером IAR в объектный код. Поэтому нет ничего лучше написать простейшую функцию на C, скомпилировать её в ассемблер, и сразу станет понятно, какая команда ассемблера что делает, как передаются аргументы и как возвращается результат. Убиваете сразу двух зайцев - обучаетесь ассемблеру и заодно получаете информацию, как интергрировать ассемблерный код в проект на C. Я тренировался на функции подсчета CRC16, и в результате получил её полноценную версию на ассемблере.

Вот исходная функция на C (u16 означает unsigned short, u32 - unsigned int, u8 - unsigned char):
// файл crc16.c
u16 CRC16 (void* databuf, u32 size)
{
u16 tmpWord, crc16, idx;
u8 bitCnt;
#define CRC_POLY 0x1021;

Crc16 = 0;
idx=0;
while (size!=0)
{
/* сложим по xor старший байт crc16 и входной байт */
tmpWord = (crc16>>8) ^ (*(((u8*)databuf)+idx));
/* результат запишем в старший байт crc16 */
tmpWord <<= 8;
crc16 = tmpWord + (0x00FF & crc16);
for (bitCnt=8;bitCnt!=0;bitCnt--)
{
/* проверим старший разряд аккумулятора CRC */
if (crc16 & 0x8000)
{
crc16 <<= 1;
crc16 ^= CRC_POLY;
}
else
crc16 <<= 1;
}
idx++;
size--;
}
return crc16;
}

Заставить генерировать код ассемблера IAR EW ARM очень легко. В опциях файла crc16.c (добавленного к проекту) поставил галку Override inherited settings , а потом на закладке List поставил 3 галки - Output assembler file , Include source и Include call frame information (хотя последнюю галку, наверное, можно не ставить - она генерит кучу ненужных CFI -директив). После компиляции получился файл папка_проекта \ ewp \ at91sam7x256_sram \ List \ crc16.s. Этот файл также легко можно добавить в проект, как и C-файл (он будет нормально компилироваться).

Конечно, когда я подсунул C-компилятору необрезанный вариант C-кода, то он мне выдал такой листинг ассемблера, что я ничего в нем не понял. Но когда выкинул из функции все C-операторы, кроме одного, стало понятнее. Потом шаг за шагом добавлял C-операторы, и вот в итоге что получилось:

; файл crc16.s
NAME crc16
PUBLIC CRC16

CRC_POLY EQU 0x1021

SECTION `.text`:CODE:NOROOT(2)
ARM

// u16 CRC16 (void* databuf, u32 size)
;R0 - результат возврата, CRC16
;R1 - параметр size
;R2 - параметр databuf (он был при входе в R0)
;R3, R12 - временные регистры

CRC16:
PUSH {R3,R12} ;методом тыка выяснил, что R3 и R13 сохранять
; необязательно. Но решил сохранить на всякий
; случай.
MOVS R2,R0 ;теперь R2==databuf
MOV R3,#+0
MOVS R0,R3 ;crc16 = 0
CRC16_LOOP:
CMP R1, #+0 ;все байты обработали (size==0)?
BEQ CRC16_RETURN ;если да, то выход
LSR R3, R0, #+8 ;R3 = crc16>>8
LDRB R12, ;R12 = *databuf
EOR R3, R3, R12 ;R3 = *databuf ^ HIGH (crc16)
LSL R3, R3, #+8 ;R3 <<= 8 (tmpWord <<= 8)
AND R0, R0, #+255 ;crc16 &= 0x00FF
ADD R0, R0, R3 ;crc16 = tmpWord + (0x00FF & crc16)
MOV R12, #+8 ;bitCnt = 8
CRC16_BIT_LOOP:
BEQ CRC16_NEXT_BYTE ;bitCnt == 0?
TST R0,#0x8000 ;Еще не все биты обработаны.
BEQ CRC16_BIT15ZERO ;Проверяем старший бит crc16.
LSL R0,R0,#+1 ;crc16 <<= 1
MOV R3, #+(LOW (CRC_POLY)) ;crc16 ^= CRC_POLY
ORR R3,R3,#+(HIGH(CRC_POLY) << 8) ;
EOR R0,R3,R0 ;
B CRC16_NEXT_BIT

CRC16_BIT15ZERO:
LSL R0,R0,#+1 ;crc16 <<= 1
CRC16_NEXT_BIT:
SUBS R12,R12,#+1 ;bitCnt--
B CRC16_BIT_LOOP ;

CRC16_NEXT_BYTE:
ADD R2,R2,#+1 ;databuf++
SUBS R1,R1,#+1 ;size--
B CRC16_LOOP ;цикл по всем байтам

CRC16_RETURN:
POP {R3,R12} ;восстанавливаем регистры
BX LR ;выход из подпрограммы, R0==crc16

Компилятор C от IAR делает на удивление хороший код. Мне совсем мало удалось его оптимизировать. Выкинул только лишний временный регистр, который хотел использовать компилятор (он почему-то взял в качестве лишнего временного регистра LR, хотя R3 и R12 было достаточно), а также убрал пару лишних команд, проверяющих счетчики и выставляющих флаги (просто добавив суффикс S к нужным командам).

В данном разделе приводится описание наборов инструкций процессора ARM7TDMI.

4.1 Краткое описание формата

В данном разделе представлено краткое описание наборов инструкций ARM и Thumb.

Ключ к таблицам наборов инструкций представлен в таблице 1.1.

Процессор ARM7TDMI выполнен на основе архитектуры ARMv4T. Более полное описание обоих наборов инструкций представлено в "ARM Architecture Reference Manual".

Таблица 1.1. Ключ к таблицам

Форматы набора инструкций ARM показаны на рисунке 1.5.

Более детальная информация относительно форматов набора инструкций ARM приведена в "ARM Architectural Reference Manual".

Рисунок 1.5. Форматы набора инструкций ARM

Некоторые коды инструкций не определены, но они не вызывают поиска неопределенных инструкций, например, инструкция умножения с битом 6 измененным к 1. Запрещается использовать такие инструкции, т.к. в будущем их действие может быть изменено. Результат выполнения данных кодов инструкций в составе процессора ARM7TDMI непредсказуем.

4.2 Краткое описание инструкций ARM

Набор инструкций ARM представлен в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Краткое преставление инструкций ARM

Операции		Синтаксис Ассемблера
Пересылка	Пересылка	MOV {cond}{S} Rd,
	Пересылка NOT	MVN {cond}{S} Rd,
	Пересылка SPSR в регистр	MRS {cond} Rd, SPSR
	Пересылка CPSR в регистр	MRS {cond} Rd, CPSR
	Пересылка регистра SPSR	MSR {cond} SPSR{field}, Rm
	Пересылка CPSR	MSR {cond} CPSR{field}, Rm
	Пересылка константы во флаги SPSR	MSR {cond} SPSR_f, #32bit_Imm
	Пересылка константы во флаги CPSR	MSR {cond} CPSR_f, #32bit_Imm
Арифметические	Сложение	ADD {cond}{S} Rd, Rn,
	Сложение с переносом	ADC {cond}{S} Rd, Rn,
	Вычитание	SUB {cond}{S} Rd, Rn,
	Вычитание с переносом	SBC {cond}{S} Rd, Rn,
	Вычитание обратного вычитания	RSB {cond}{S} Rd, Rn,
	Вычитание обратного вычитания с переносом	RSC {cond}{S} Rd, Rn,
	Умножение	MUL {cond}{S} Rd, Rm, Rs
	Умножение-накопление	MLA {cond}{S} Rd, Rm, Rs, Rn
	Умножение длинных беззнаковых чисел	UMULL
	Умножение - беззнаковое накопление длинных значений	UMLAL {cond}{S} RdLo, RdHi, Rm, Rs
	Умножение знаковых длинных	SMULL {cond}{S} RdLo, RdHi, Rm, Rs
	Умножение - знаковое накопление длинных значений	SMLAL {cond}{S} RdLo, RdHi, Rm, Rs
	Сравнение	CMP {cond} Rd,
	Сравнение отрицательное	CMN {cond} Rd,
Логические	Проверка	TST {cond} Rn,
	Проверка на эквивалентность	TEQ {cond} Rn,
	Лог. И	AND {cond}{S} Rd, Rn,
	Искл. ИЛИ	EOR {cond}{S} Rd, Rn,
	ORR	ORR {cond}{S} Rd, Rn,
	Сброс бита	BIC {cond}{S} Rd, Rn, >
Переход	Переход	{cond} label
	Переход по ссылке	{cond} label
	Переход и изменение набора инструкций	{cond} Rn
Чтение	слова	LDR {cond} Rd,
		LDR {cond}T Rd,
	байта	LDR {cond}B Rd,
		LDR {cond}BT Rd,
	байта со знаком	LDR {cond}SB Rd,
	полуслова	LDR {cond}H Rd,
	полуслова со знаком	LDR {cond}SH Rd,
	операции с несколькими блоками данных	-
	с предварительным инкрементом	LDM {cond}IB Rd{!}, {^}
	с последующим инкрементом	LDM {cond}IA Rd{!}, {^}
	с предварительным декрементом	LDM {cond}DB Rd{!}, {^}
	с последующим декрементом	LDM {cond}DA Rd{!}, {^}
	операция над стеком	LDM {cond} Rd{!},
	операция над стеком и восстановление CPSR	LDM {cond} Rd{!}, ^
	операция над стеком с регистрами пользователя	LDM {cond} Rd{!}, ^
Запись	слова	STR {cond} Rd,
	слова с преимуществом режима пользователя	STR {cond}T Rd,
	байта	STR {cond}B Rd,
	байта с преимуществом режима пользователя	STR {cond}BT Rd,
	полуслова	STR {cond}H Rd,
	операции над несколькими блоками данных	-
	с предварительным инкрементом	STM {cond}IB Rd{!}, {^}
	с последующим инкрементом	STM {cond}IA Rd{!}, {^}
	с предварительным декрементом	STM {cond}DB Rd{!}, {^}
	o с последующим декрементом	STM {cond}DA Rd{!}, {^}
	операция над стеком	STM {cond} Rd{!},
	операция над стеком с регистрами пользователя	STM {cond} Rd{!}, ^
Обмен	слов	SWP {cond} Rd, Rm,
	байт	SWP {cond}B Rd, Rm,
Сопроцессор	Операция над данными	CDP {cond} p, , CRd, CRn, CRm,
	Пересылка в ARM-регистр из сопроцессора	MRC {cond} p, , Rd, CRn, CRm,
	Пересылка в сопроцессор из ARM-регистра	MCR {cond} p, , Rd, CRn, CRm,
	Чтение	LDC {cond} p, CRd,
	Запись	STC {cond} p, CRd,
Программное прерывание		SWI 24bit_Imm

Подробно ознакомиться с системой команд в режиме ARM можно .

Режимы адресации

Режимы адресации - процедуры, которые используются различными инструкциями для генерации значений, используемых инструкциями. Процессор ARM7TDMI поддерживает 5 режимов адресации:

• Режим 1 - Сдвиговые операнды для инструкций обработки данных.
• Режим 2 - Чтение и запись слова или беззнакового байта.
• Режим 3 - Чтение и запись полуслова или загрузка знакового байта.
• Режим 4 - Множественные чтение и запись.
• Режим 5 - Чтение и запись сопроцессора.

Режимы адресации с указанием их типов и мнемонических кодов представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3. Режимы адресации

Режим адресации	Тип или режим адресации	Мнемонический код или тип стека
Режим 2	Константа смещения
	Регистр смещения
	Масштабный регистр смещения
	Предварительное индексированное смещение	-
	Константа	!
	Регистр	!
	Масштабный регистр	!
		!
		!
		!
		!
		-
	Константа	, #+/-12bit_Offset
	Регистр	, +/-Rm
	Масштабный регистр
Режим 2, привилегированный	Константа смещения
	Регистр смещения
	Масштабный регистр смещения
	Смещение с последующим индексированием	-
	Константа	, #+/-12bit_Offset
	Регистр	, +/-Rm
	Масштабный регистр	, +/-Rm, LSL #5bit_shift_imm
		, +/-Rm, LSR #5bit_shift_imm
		, +/-Rm, ASR #5bit_shift_imm
		, +/-Rm, ROR #5bit_shift_imm
Режим 3, >	Константа смещения
		!
	Последующее индексирование	, #+/-8bit_Offset
	Регистр
	Предварительное индексирование	!
	Последующее индексирование	, +/-Rm
Режим 4, чтение	IA, последующий инкремент	FD, full descending
		ED, empty descending
	DA, последующий декремент	FA, full ascending
	DB предварительный декремент	EA, empty ascending
Режим 4, запись	IA, последующий инкремент	FD, full descending
	IB, предварительный инкремент	ED, empty descending
	DA, последующий декремент	FA, full ascending
	DB предварительный декремент	EA, empty ascending
Режим 5, передача данных сопроцессора	Константа смещения
	Предварительное индексирование	!
	Последующее индексирование	, #+/-(8bit_Offset*4)

Операнд 2

Операнд является частью инструкции, которая ссылается на данные или периферийное устройство. Операнды 2 представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4. Операнд 2

Поля представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5. Поля

Поля условий

Поля условий представлены в таблице 1.6.

Таблица 1.6. Поля условий

Тип поля	Суффикс	Описание	Условие
Условие {cond}	EQ	Равно	Z=1
	NE	Неравно	Z=0
	CS	Беззнаковое больше или равно	C=1
	CC	Беззнаковое меньше	C=0
	MI	Отрицательное	N=1
	PL	Положительное или ноль	N=0
	VS	Переполнение	V=1
	VC	Нет переполнения	V=0
	HI	Беззнаковое больше	C=1, Z=0
	LS	Беззнаковое меньше или равно	C=0, Z=1
	GE	Больше или равно	N=V (N=V=1 или N=V=0)
	LT	Меньше	NV (N=1 и V=0) или (N=0 и V=1)
	GT	Больше	Z=0, N=V (N=V=1 или N=V=0)
	LE	Меньше или равно	Z=0 или NV (N=1 и V=0) или (N=0 и V=1)
	AL	Всегда истинный	флаги игнорируются

4.3 Краткое описание набора инструкций Thumb

Форматы набора инструкций Thumb показаны на рисунке 1.6. Более подробная информация по форматам наборов инструкций ARM приведена "ARM Architectural Reference Manual".

Рисунок 1.6. Форматы набора инструкций Thumb

Набор инструкций Thumb представлен в таблице 1.7.

Таблица 1.7. Краткое описание набора инструкций Thumb

Операция		Синтаксис Ассемблера
Пересылка (копирование)	константы	MOV Rd, #8bit_Imm
	старшего в младший	MOV Rd, Hs
	младшего в старший	MOV Hd, Rs
	старшего в старший	MOV Hd, Hs
Арифметические	сложение	ADD Rd, Rs, #3bit_Imm
	прибавить младший к младшему	ADD Rd, Rs, Rn
	прибавить старший к младшему	ADD Rd, Hs
	прибавить младший к старшему	ADD Hd, Rs
	прибавить старший к старшему	ADD Hd, Hs
	сложение с константой	ADD Rd, #8bit_Imm
	прибавить значение к SP	ADD SP, #7bit_Imm ADD SP, #-7bit_Imm
	сложение с учетом переноса	ADC Rd, Rs
	вычитание	SUB Rd, Rs, Rn SUB Rd, Rs, #3bit_Imm
	вычитание константы	SUB Rd, #8bit_Imm
	вычитание с переносом	SBC Rd, Rs
	инверсия знака	NEG Rd, Rs
	умножение	MUL Rd, Rs
	сравнить младший с младшим	CMP Rd, Rs
	сравнить младший и старший	CMP Rd, Hs
	сравнить старший и младший	CMP Hd, Rs
	сравнить старший и старший	CMP Hd, Hs
	сравнить отрицательные	CMN Rd, Rs
	сравнить с константой	CMP Rd, #8bit_Imm
Логические	И	AND Rd, Rs
	Искл. ИЛИ	EOR Rd, Rs
	ИЛИ	ORR Rd, Rs
	Сброс бита	BIC Rd, Rs
	Пересылка NOT	MVN Rd, Rs
	Тестирование бит	TST Rd, Rs
Сдвиг/вращение	Логический сдвиг влево	LSL Rd, Rs, #5bit_shift_imm LSL Rd, Rs
	Логический сдвиг вправо	LSR Rd, Rs, #5bit_shift_imm LSR Rd, Rs
	Арифметический сдвиг вправо	ASR Rd, Rs, #5bit_shift_imm ASR Rd, Rs
	Вращение вправо	ROR Rd, Rs
Переход	условные переходы	-
		BEQ label
		BNE label
		BCS label
		BCC label
		BMI label
		BPL label
		BVS label
		BVC label
	C=1, Z=0	BHI label
	C=0, Z=1	BLS label
	N=1, V=1 или N=0, V=0	BGE label
	N=1, V=0 или N=0, V=1	BLT label
	Z=0 и ((N или V=1) или (N или V=0))	BGT label
	Z=1 или ((N=1 или V=0) или (N=0 и V=1))	BLE label
	Безусловный переход	B label
	Длинный переход по ссылке	BL label
	Опциональное изменение состояния	-
	по адресу в мл. регистре	BX Rs
	по адресу в ст. регистре	BX Hs
Чтение	с константой смещения	-
	слова	LDR Rd,
	полуслова	LDRH Rd,
	байта	LDRB Rd,
	с регистром смещения	-
	слова	LDR Rd,
	полуслова	LDRH Rd,
	знакового полуслова	LDRSH Rd,
		LDRB Rd,
	знакового байта	LDRSB Rd,
	относительно счетчика программы PC	LDR Rd,
	относительно указателя стека SP	LDR Rd,
	Адрес	-
	с помощью PC	ADD Rd, PC, #10bit_Offset
	с помощью SP	ADD Rd, SP, #10bit_Offset
	Множественное чтение	LDMIA Rb!,
Запись	с константой смещения	-
	слова	STR Rd,
	полуслова	STRH Rd,
	байта	STRB Rd,
	с регистром смещения	-
	слова	STR Rd,
	полуслова	STRH Rd,
	байта	STRB Rd,
	относительно SP	STR Rd,
	Множественная запись	STMIA Rb!,
Помещение/ извлечение из стека	Поместить регистры в стек	PUSH
	Поместить LR и регистры в стек	PUSH
	Извлечь регистры из стека	POP
	Извлечь регистры и PC из стека	POP
Программное прерывание	-	SWI 8bit_Imm

1. Счетчик часов реального времени должен быть включен (1); бит выбора источника тактирования сброшен (2), если тактирование не осуществляется от основного тактового генератора.

2. Один или оба бита выбора прерывающего события (3) должны быть установлены. И выбрано, какие именно события будут вызывать запрос прерывания (5).

3. Должны быть заданы маски прерывающих событий (4, 7).

2.5 О программировании ARM7 на ассемблере

Система команд ARM7 (раздел 1.4) включает всего 45 инструкций, которые довольно сложны из-за многообразия методов адресации, условных полей и модификаторов. Программа на ассемблере получается громоздкой и

с трудом читается. Поэтому ассемблер редко применяется в программировании для архитектуры ARM7.

Вместе с тем, язык высокого уровня Си скрывает от программиста многие особенности архитектуры. Программист практически не касается таких процедур, как выбор режима ядра, выделение памяти под стек и обработка прерываний. Для изучения этих процедур полезно составить хотя бы одну простую программу на ассемблере.

Кроме того, даже при использовании Си к языку ассемблера все же приходится прибегать.

1. Следует контролировать Си-компилятор, отслеживая, не исключил ли он в ходе оптимизации важные команды, посчитав их ненужными. Не генерирует ли компилятор исключительно неэффективный код для сравнительно простой операции, из-за недостаточной оптимизации. Чтобы убедиться, что компилятор действительно задействует те аппаратные ресурсы, которые, призваны повысить эффективность конкретного алгоритма.

2. В ходе поиска ошибок или причин возникновения исключительных ситуаций (раздел 2.4.1).

3. Для получения кода, абсолютно оптимального по быстродействию или расходу памяти (разделы 2.2.20, 3.1.5).

Рассмотрим основные приемы составления программы на ассемблере

с целью продемонстрировать весь код исполняемый микроконтроллером, как есть, и без посредничества Си-компилятора.

Порядок создания проекта на основе ассемблера почти тот же, что и для Си-программ (разделы 2.3.1–2.3.3). Исключения лишь два:

а) файлу исходного текста присваивается расширение *.S;

б) здесь предполагается, что файл STARTUP.S к программе не подключается.

2.5.1 Основные правила записи программ на ассемблере

Текст программы на ассемблере принято оформлять в четыре колонки. Можно сказать, что каждая строка состоит из четырех полей, а именно: поля меток, операций, операндов, комментариев. Поля отделяются друг от друга символом «табуляция» или пробелами.

Основными являются поля операций и операндов. Допустимые операции и их синтаксис приведены в таблице (1.4.2)

Метка - это символьное обозначение адреса команды. Везде вместо метки будет выполняться подстановка адреса команды, которой предшествует метка. Чаще всего метки используются в командах передачи управления. Каждая метка должна быть уникальной и при этом является не обязательной. В отличие от многих других версий, в ассемблере RealView метки не заканчиваются двоеточием («: »).

Комментарии по желанию помещаются в конце строки и отделяются точкой с запятой («; »).

Приведем простой пример.

2.5.2 Псевдокоманды

Ассемблер RealView поддерживает так называемые псевдокоманды. Псевдокоманда - это мнемоническое обозначение, которое на самом деле не соответствует системе команд процессора, а заменяется одной или (реже) несколькими командами. Псевдокоманды являются своего рода макросами и служат для упрощения синтаксиса. Перечень поддерживаемых псевдокоманд приведен в таблице (2.5.1).

2.5.3 Директивы ассемблера

В отличие от команд директивы не создают исполнимого кода, загружаемого в память микроконтроллера. Директивы представляю собой лишь предписания ассемблеру, управляют формированием исполнимого кода.

Рассмотрим часто используемые директивы ассемблера RealView 4.

Имя EQU Константа

Назначает Константе символьное обозначение Имя , которое становится синонимом константы. Основное назначение - введение имен управляющих регистров,

AREA Имя, Параметры

Определяет область памяти с заданным Именем . С помощью параметров указывается назначение области памяти, например, DATA (данные) или CODE (код). От выбранного назначения зависят адреса определяемой области. Область CODE размещается, начиная с адреса 0x00000000, область DATA - с адреса 0x40000000. В программе обязательно должна существовать область CODE c именем RESET . Константы, размещаемые в памяти программ, следует объявлять в секции с парой параметров CODE, READONLY .

Обозначает точку входа в программу, показывает ее «начало». Одна такая директива всегда должна присутствовать в программе. Обычно помещается непосредственно после директивы AREA RESET, CODE .

Таблица 2.5.1 – Псевдокоманды, поддерживаемые ассемблером RealView 4

Мнемоническое обозначение			Операция		Фактическая реализация
и синтаксис
ADR{Усл }				в регистр	Сложение или вычитание константы из PC ко-
					мандами ADD или SUB
ADRL{Усл }				в регистр	Дважды ADD или SUB с участием PC
			(расширенный диапазон адресов)
ASR{Усл }{S}			Арифметический сдвиг вправо
ASR{Усл }{S}					нием сдвигового операнда
LDR{Усл }				в регистр
					адресацией (PC + непосредственное смещение)
					Размещение константы		в памяти программ
LDR{с индексной адреса-
					цией. Смещением служит PC.
LSL{Усл }{S}			Логический сдвиг влево
LSL{Усл }{S}					нием сдвигового операнда
LSR{Усл }{S}			Логический сдвиг вправо
LSR{Усл }{S}					нием сдвигового операнда
POP{Усл }			Восстановить регистры из стека		Восстановление	регистров		командой
					LDMIA R13!,{...}
PUSH{Усл }					Сохранение	регистров		командой
					STMDB R13!,{...}
ROR{Усл }{S}			Циклический сдвиг вправо
ROR{Усл }{S}					нием сдвигового операнда
RRX{Усл }{S}			Циклический сдвиг вправо через
			перенос на 1 разряд		нием сдвигового операнда

Имя SPACE Размер

Резервирует память для хранения данных заданного Размера . Имя становится синонимом адреса зарезервированного пространства. Единство адресного пространства позволяет применять эту директиву, как для постоянной, так и для оперативной памяти. Основное назначение - создание глобальных переменных в оперативной памяти (в области DATA ).

Метка DCB/DCW/DCD Константа

«Прошивают» данные (числовые Константы ) в памяти программ. Метка становиться синонимом адреса, по которому будут записаны данные. Разные директивы (DCB , DCW и DCD ) служат для данных разного размера: байт, 16-разрядное слово, 32-разрядное слово (соответственно).

Служит признаком конца файла. Весь текст после этой директивы игнорируется ассемблером.

2.5.4 Макросы

Макрос представляет собой предопределенный фрагмент программы, выполняющий какую-либо распространенную операцию. В отличие от подпрограмм, вызываемых с помощью команд передачи управления, использование макросов не снижает быстродействия, но не снижает и расход памяти программ. Потому что при каждом вызове макроса ассемблер внедряет в программу полностью его текст.

Для объявления макроса служит следующая конструкция

	$ Параметр1, $ Параметр2, ...

Параметры позволяют модифицировать текст макроса при каждом обращении к нему. Внутри (в теле) макроса параметры используются также с предшествующим знаком «$ ». Вместо параметров в теле макроса подставляются параметры, указанные при вызове.

Вызов макроса осуществляется так:

Имя Параметр1, Параметр2, ...

Имеется возможность организовать проверку условия и ветвление.

IF "$ Параметр" == " Значение"

Обращаем внимание на то, такая конструкция не приводит к программной проверке условия микроконтроллером. Проверку условия осуществляет ассемблер в ходе формирования исполнимого кода.

Итак, мы создали новый проект, выполнили основные настройки, создали и подключили к проекту файл, в котором хотим написать на ассемблере какую-нибудь простенькую программу.

Что дальше? Дальше, собственно говоря, можно писать программу, используя набор команд thumb-2, поддерживаемый ядром Cortex-M3. Список и описание поддерживаемых команд можно посмотреть в документе под названием Cortex-M3 Generic User Guide (глава The Cortex-M3 Instruction Set ), который можно найти на вкладке Books в менеджере проекта, в Keil uVision 5. Подробно о командах thumb-2 будет написано в одной из следующих частей этой статьи, а пока поговорим о программах для STM32 в общем.

Как и любая другая программа на ассемблере, программа для STM32 состоит из команд и псевдокоманд, которые будут транслированы непосредственно в машинные коды, а также из различных директив, которые в машинные коды не транслируются, а используются в служебных целях (разметка программы, присвоение константам символьных имён и т.д.)

Например, разбить программу на отдельные секции позволяет специальная директива — AREA . Она имеет следующий синтаксис: AREA Section_Name {,type} {, attr} … , где:

1. Section_name — имя секции.
2. type — тип секции. Для секции, содержащей данные нужно указывать тип DATA, а для секции, содержащей команды — тип CODE.
3. attr — дополнительные атрибуты. Например, атрибуты readonly или readwrite указывают в какой памяти должна размещаться секция, атрибут align=0..31 указывает каким образом секция должна быть выровнена в памяти, атрибут noinit используется для выделения областей памяти, которые не нужно инициализировать или инициализирующиеся нулями (при использовании этого атрибута можно не указывать тип секции, поскольку он может использоваться только для секций данных).

Директива EQU наверняка всем хорошо знакома, поскольку встречается в любом ассемблере и предназначена для присвоения символьных имён различным константам, ячейкам памяти и т.д. Она имеет следующий синтаксис: Name EQU number и сообщает компилятору, что все встречающиеся символьные обозначения Name нужно заменять на число number . Скажем, если в качестве number использовать адрес ячейки памяти, то в дальнейшем к этой ячейке можно будет обращаться не по адресу, а используя эквивалентное символьное обозначение (Name ).

Директива GET filename вставляет в программу текст из файла с именем filename . Это аналог директивы include в ассемблере для AVR. Её можно использовать, например, для того, чтобы вынести в отдельный файл директивы присвоения символьных имён различным регистрам. То есть мы выносим все присвоения имён в отдельный файл, а потом, чтобы в программе можно было пользоваться этими символьными именами, просто включаем этот файл в нашу программу директивой GET.

Разумеется, кроме перечисленных выше есть ещё куча всяких разных директив, полный список которых можно найти в главе Directives Reference документа Assembler User Guide , который можно найти в Keil uVision 5 по следующему пути: вкладка Books менеджера проектов -> Tools User’s Guide -> Complete User’s Guide Selection -> Assembler User Guide .

Большинство команд, псевдокоманд и директив в программе имеют следующий синтаксис:

{label} SYMBOL {expr} {,expr} {,expr} {; комментарий}

{label} — метка. Она нужна для того, чтобы можно было определить адрес следующей за этой меткой команды. Метка является необязательным элементом и используется только когда необходимо узнать адрес команды (например, чтобы выполнить переход на эту команду). Перед меткой не должно быть пробелов (то есть она должна начинаться с самой первой позиции строки), кроме того, имя метки может начинаться только с буквы.

SYMBOL — команда, псевдокоманда или директива. Команда, в отличии от метки, наоборот, должна иметь некоторый отступ от начала строки даже если перед ней нет метки.

{expr} {,expr} {,expr} — операнды (регистры, константы…)

; — разделитель. Весь текст в строке после этого разделителя воспринимается как комментарий.

Ну а теперь, как и обещал, простейшая программа:

AREA START , CODE , READONLY dcd 0x20000400 dcd Program_start ENTRY Program_start b Program_start END

AREA START, CODE, READONLY dcd 0x20000400 dcd Program_start ENTRY Program_start b Program_start END

В этой программе у нас всего одна секция, которая называется START. Эта секция размещается во flash-памяти (поскольку для неё использован атрибут readonly).

Первые 4 байта этой секции содержат адрес вершины стека (в нашем случае 0x20000400), а вторые 4 байта — адрес точки входа (начало исполняемого кода). Далее следует сам код. В нашем простейшем примере исполняемый код состоит из одной единственной команды безусловного перехода на метку Program_start, то есть снова на выполнение этой же команды.

Поскольку секция во флеше всего одна, то в scatter-файле для нашей программы в качестве First_Section_Name нужно будет указать именно её имя (то есть START).

В данном случае у нас перемешаны данные и команды. Адрес вершины стека и адрес точки входа (данные) записаны с помощью директив dcd прямо в секции кода. Так писать конечно можно, но не очень красиво. Особенно, если мы будем описывать всю таблицу прерываний и исключений (которая получится достаточно длинной), а не только вектор сброса. Гораздо красивее не загромождать код лишними данными, а поместить таблицу векторов прерываний в отдельную секцию, а ещё лучше — в отдельный файл. Аналогично, в отдельной секции или даже файле можно разместить и инициализацию стека. Мы, для примера, разместим всё в отдельных секциях:

AREA STACK, NOINIT, READWRITE SPACE 0x400 ; пропускаем 400 байт Stack_top ; и ставим метку AREA RESET, DATA, READONLY dcd Stack_top ; адрес метки Stack_top dcd Program_start ; адрес метки Program_start AREA PROGRAM, CODE, READONLY ENTRY ; точка входа (начало исполняемого кода) Program_start ; метка начала программы b Program_start END

Ну вот, та же самая программа (которая по прежнему не делает нифига полезного), но теперь выглядит намного нагляднее. В scatter-файле для этой программы нужно указать в качестве First_Section_Name имя RESET, чтобы эта секция располагалась во flash-памяти первой.