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.

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.

В настоящее время для программирования даже достаточно простых микроконтроллеров используются языки высокого уровня, как правило, являющиеся подмножествами языка С или С++.

Однако при изучении архитектуры процессоров и ее особенностей целесообразно использовать языки Ассемблера, так как только такой подход может обеспечить выявление особенностей изучаемой архитектуры. По этой причине дальнейшее изложение ведется с использованием языка Ассемблера.

Прежде чем приступить к рассмотрению команд ARM7, необходимо отметить следующие ее особенности:

Поддержку двух наборов команд: ARM с 32-битными командами и THUMB с 16-битными командами. Далее рассматривается 32-битный набор команд, слово ARM будет означать команды, принадлежащие к этому формату, а слово ARM7 - собственно ЦПУ.

Поддержку двух форматов 32-х разрядного адреса: с обратным порядком бит (big-endian processor и с прямым порядком бит (little-endian processor)). В первом случае старший бит (Most Significant Bit - MSB) располагается в младшем бите слова, а во втором случае - в старшем. Это обеспечивает совместимость с другими семействами 32-х разрядных процессоров при использовании языков высокого уровня. Однако в ряде семейств процессоров с ядром ARMиспользуется только прямой порядок байтов (т.е. MSB является самым старшим битом адреса), что значительно облегчает работу с процессором. Поскольку компилятор, используемый для ARМ7, работает с код в обоих форматах, необходимо удостовериться, что формат слов задан правильно, в противном случае полученный код будет «вывернут наизнанку».

Возможность выполнения различных типов сдвига одного из операндов «на проходе» перед использованием в АЛУ

Поддержка условного выполнения любой команды

Возможность запрета изменения флагов результатов выполнения операции.

1. Условное выполнение команд

Одна из важных особенностей набора команд ARM заключается в том, что поддерживается условное выполнение любой команды. В традиционных микроконтроллерах единственными условными командами являются команды условных переходов, и, быть может, ряд других, таких как команды проверки либо изменения состояния отдельных битов. В наборе команд ARM старшие 4 бита кода команды всегда сравниваются с флагами условий в регистре CPSR. Если их значения не совпадают, команда на стадии дешифрации заменяется команда NOP (нет операции).

Это существенно сокращает время выполнения участков программы с «короткими» переходами. Так, например, при решении квадратных уравнений с вещественными коэффициентами и произвольными корнями при отрицательном дискриминанте необходимо перед вычислением квадратного корня сменить знак дискриминанта, а результат присвоить мнимой части ответа.

При традиционном решении этой задачи необходимо ввести команду условного перехода. Выполнение этой команды занимает как минимум 2 такта – дешифрация и загрузка нового значения адреса в счетчик команд и дополнительное число тактов на загрузку конвейера команд. При использовании условного выполнения команды при положительном дискриминанте команда смены знака заменяется пустой операцией. При этом не происходит очистка конвейера команд, и потери составляют не более одного такта. Порог, при котором замена условных команд командой NOP оказывается эффективнее выполнения традиционных команд условного перехода и связанного с этим повторным заполнением конвейера равен его глубине, т.е. трем.

Для реализации этой возможности к базовым мнемоническим обозначениям команд ассемблера (и С то же), нужно добавить любой из шестнадцати префиксов, определяющих тестируемые состояния флагов условий. Эти префиксы приведены в табл. 3. Соответственно существует 16 вариантов каждой команды. Например, следующая команда:

MOVEQ R1, #0x008

означает, что загрузка числа 0x00800000 в регистр R1 будет произведена только том случае, если результат выполнения последней команды обработки данных был «равно» или получен 0 результат и соответственно установлен флаг (Z) регистра CPSR.

Таблица 3

Префиксы команд

		Значение
	Z установлен
	Z сброшен
	С установлен	Выше или равно (беззнаковое)
	C сброшен	Ниже (беззнаковое)
	N установлен	Отрицательный результат
	N сброшен	Положительный результат или 0
	V установлен	Переполнение
	V сброшен	Нет переполнения
	С установлен, Z сброшен	Выше (беззнаковое)
	С сброшен, Z установлен	Ниже или равно (беззнаковое)
		Больше или равно (знаковое)
	N не равен V	Меньше (знаковое)
	Z сброшен И (N равен V)	Больше (знаковое)
	Z установлен ИЛИ (N не равен V)	Меньше или равно (знаковое)
	(игнорируются)	Безусловное выполнение

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.

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.