Datorteknik. Tomas Nordström. Föreläsning 3. För utveckling av verksamhet, produkter och livskvalitet.

Transkript

1 Datorteknik Tomas Nordström Föreläsning 3 För utveckling av verksamhet, produkter och livskvalitet.

2 Föreläsning 3 (+4?) Assembler ARM Instruktioner 2

3 Assembler Vi har sett hur man kan skriva in kod genom att skriva direkt i 1:or och 0:or. Ganska omständligt. Lätt att göra fel. Ingen "intuitiv" koll på vad koden gör. Bättre: Översätt varje rad till något vi själva förstår. En översättning från 1:or och 0:or till ord som ger en bättre känsla för vad instruktionen gör, mnemonics. Ett datorprogram översätter dessa ord till 1:or och 0:or. "Språket" man då skriver i kallas assembler. 3

4 Assembler forts. Programmering mha instruktioner som är CPUberoende. Rader i koden kan ges olika namn labels/ programlägen Assembler är ett programmeringsspråk för programmering på lägsta, hårdvaranära nivån. Programmering sker med sk. instruktioner. De instruktioner som finns beror på hårdvaran. Assembler är alltså ett maskinberoende språk. Språket klassas som lågnivåspråk. Alla grundkonstruktioner från högnivåspråk t ex while, for, if måste skapas utifrån existerande instruktioner. 4

5 ARM - Programmers model Direktiv/instruktioner Speciell "kod", assemblerdirektiv, finns för att hjälpa till vid översättningen (assembleringen) till maskinkod (1:or och 0:or) Assemblerdirektiven är inte processorspecifika, utan assemblerspecifika. Typiska sådana direktiv (uppmaningar) till assemblatorn är: Säga var koden börjar resp. slutar. ORG resp. END Definiera upp logiska namn på konstanter som används ofta EQU Sätta logiska etiketter, labels, på vissa rader (programlägen som då blir minnesplatser dit man kan referera) Säga var koden skall hamna fysiskt i minnet 5

6 Assembler - exempelkod ; Memory Postions ! START EQU 0x ; Start av SRAM! PIOA_PER EQU 0x400E0C00 ; PIO Enable Register! PIOA_PDSR EQU 0x400E0C3C ; Pin Data Status Register! ; Initiation code ! THUMB! ORG START! ; Initiate PortA input ! MAIN LDR R0,=PIOA_PER! LDR R1,=0XC0000! STR R1,[R0] ; enable PIOA! LDR R0,=DATA1 ; Let R0 point to data! ; Read and manipulate data from porta (buttons)! LDRb R1,[R0] ; load data into R1! SUB R1,R1,#1 ; adjust data! MOV R5,#1 ; set bit 0 to 1! MOV R6,R5, LSL R1 ; shift the one R1 number of times! AND R6,R6,#0x0F ; mask out bit 0-4 in R6! LDR R2,=PIOA_PDSR! LDR R3,[R2] ; read porta/buttons! LSR R3,R3,#18 ; move buttonflags to bit 1-0! AND R3,R3,#0x3 ; mask buttons! ORR R3,R3,R6 ; merge data! SLUT STRb R3,[R0] ; save data! STOP B STOP! DATA1 DCB 4! DATA2 DC8 1! END! 6

7 ARM assembler Vanligaste direktiv för ARM Namn EQU tal ; Ersätter namnet Namn med talet tal. ; OBS! Tar ingen minnesplats Namn DCB tal ; Deklarerar en byte i minnet på den adress ; där Namn hamnar Namn DS8 X ; Reserverar plats för X antal 8-bitars resp Namn DS32 X ; 32-bitars tal på den adress där Namn hamnar ORG X ; Låter koden efteråt börja på adressen X END ; Avslutar assemblerkoden 7

8 Assemblering Översättningen från assembler till maskinkod sker med en teknik som heter 2-stegs assemblering. Pass l -Första genomgång: Hela koden gås igenom en gång och bestämmer vilka adresser alla labels ska ha. Dessa lagras i det som kallas en symboltabell. Går att räkna ut mha ORG-direktiven Pass2 - Andra genomgång: Översätter koden till maskinkod samt ersätter "lablama" med resp. adress från symboltabellen. Färdig! 8

9 Assembler vs Maskinkod Assemblerkod Program som mha mnemonics beskriver ett vilka maskininstruktioner som ska utföras, använder adressoberoende labels. Utvecklas oftast inte på målsystemet. Maskinkod - De 1:or och 0:or som laddas ner i datorns minne Maskinkod laddas ner från PC till målprocessorns minne, i vårt fall via en liten låda som pratar USB med datorn och JTAG med målsystemet. Assemblerkod översätts med en assemblator till maskinkod. Måste använda processorspecifikt utvecklingsverktyg för assemblering och kunna ladda ner till maskinkoden till målsystem. Vi använder IAR Embedded Workbench. Assembler är det språk eller "verktyg" som vi kommer att använda för att programmera med i den här kursen. 9

10 Flödesschema - assemblering Assemblerkod LDR R1,R1,R2! 1-Pass symboltabell LABEL=0x2000F02! 2-Pass Översättning till maskinkod Maskinkod laddas till målsystemet ! ! 10

11 Pseudoinstruktioner Syntetiska instruktioner Mellan direktiv och instruktioner Assemblatorn kan översätta en inskriven instruktion till flera instruktioner som processorn kan tolka. En sådan instruktion, som inte är någon riktig, kallas ibland en pseudoinstruktion. Ex: Instr. MOV har begränsade tal som inargument. T ex MOV R1, #255 Större tal än 255 kan inte läggas in. Lösning: Pseudoinstr. LDR R3,=49500 Här kan vi ha ett 32-bitars tal som inargument trots att instruktionslängden bara är 32 bitar. Om talet är stort blir översättningen LDR R3, [PC, #offset] Själva talet (här 49500) placeras efter själva koden (efter END) och assemblatorn räknar ut avstånd från instr. till var talet placeras (offset). Är talet mindre än 9 bitar översätts instr. till MOV. 11

12 Sammanfattning Assembler Programmeringsspråk på lägsta nivån för processorer. Processorspecifik. Måste känna till processorn väl. Viktigt för att känna till begränsningar. Möjlighet att använda labels. Behöver inte koda med absolutadresser. Använder logiska namn för instruktioner, mnemonics. Pseudoinstruktioner-mellanting mellan direktiv och instruktioner. Översätts med en assemblator till maskinkod. Maskinkod läggs ner i processoms minne. 12

13 ARM RISC-processor 32-bitars arkitektur (ALU, interna register och databuss) Tre-operands instruktioner (eller två+ett immed.) Load-Store struktur. Allt flyttas till register och arbetas med där, sen tillbaka till minnet. 16 generella register - får användas till vad man vill Flexibel kompakt instruktionsuppsättning. Alla instruktioner kan utföras villkorligt (unikt för ARM) 13

14 ARM orginal Alla instruktioner är 32 bitar långa Ett flexibelt instruktionsset där instruktioner kan utföras villkorligt (bit 31-28) samt sätta PSR på begäran (S) Inbyggd skiftning av operand2 i alla instruktioner. Instruktioner för blockförflyttning av data, dvs minnesblock kan flyttas till grupper av register och tvärtom. 14

15 ARM Architecture roadmap 15

16 Vilken arkitektur är min ARM? 16

17 ARM Cortex M3 Key features of the Cortex-M3 core are: ARMv7-M architecture Instruction Sets Thumb (entire) Thumb-2 (entire) 1-cycle 32-bit hardware multiply, 2-12 cycle 32-bit hardware divide, saturated math support 3-stage pipeline with branch speculation 1 to 240 physical interrupts, plus NMI 12 cycle interrupt latency; no shadow registers, state saved on stack Integrated sleep modes 1.25 DMIPS/MHz 90 nm implementation: 32 µw/mhz; 0.12 mm 2 17

18 Thumb Thumb instructions are a sequence of half-word-aligned half-words Each Thumb instruction is either a 16-bit half-word in that stream A 32-bit instruction consisting of two half-words in that stream If bits [15:11] of the half-word being decoded take on any of the following values 0b b b11111 then half-word is the first half-word of a 32-bit instruction otherwise the half-word is a 16-bit instruction See ARM ARM A5.1, A5.5, A

19 19

20 20

21 Thumb-2 21

22 16bit Thumb-2 22

23 Thumb-2 Implementation 23

24 32bit Instruction Encoding 24

25 ARM and 16-bit Instruction Encoding 25

26 Thumb-2 [ARM Cortex-M3 Instruction Set & Architecture] 26

27 Instruction Encoding ADD immediate 28

28 Nyckeldokument 180 sidor sammanfattning Av Cortex M3 ARMs manual, på 410 sidor för Cortex M3 31 ATMEL SAM3U manual, 1187 sidor

29 ARM Cortex M3 Register [ARM Cortex-M3 Devices, Generic User Guide, 2010] 32

30 ARM Cortex M3 Specialregister [ARM Cortex-M3 Devices, Generic User Guide, 2010] The Program Status Register (PSR) combines: Application Program Status Register (APSR) Interrupt Program Status Register (IPSR) Execution Program Status Register (EPSR). These registers are mutually exclusive bitfields in the 32-bit PSR. The bit assignments are: 33

31 Flags 34

32 Memory Model 35

33 ARM Cortex M3 Instruktioner Totalt 4 sidor! [ARM Cortex-M3 Devices, Generic User Guide, 2010] 37

34 [ARM Cortex-M3 Devices, Generic User Guide, 2010] 39

35 ARM Cortex M3 Instruktionsklasser Ladda/Skriv till minnet Databehandling Skiftoperationer Logiska operationer Aritmetiska och test instruktioner Flytta mellan register och ladda in små konstanter till register Hopp Övriga instruktioner 40

36 ARM Cortex M3 Vilkorsstyrning Alla instruktioner kan utföras på villkor. Lägg till villkorsflaggorna efter instruktionen.! 41

37 Conditional Execution and Flags 42

38 ARM Cortex M3 Instruktioner Load/Store 43

39 44

40 45

41 46

42 47

43 Ladda/Spara Exempel: ADR R1, TextMessage!; Write address value of a location!!!!!; labelled as TextMessage to R1! LDR R8, [R10]!!; Loads R8 from the address in R10.! LDRNE R2, [R5, #960]!!; Loads (conditionally) R2 from a word 960 bytes!!!; above the address in R5, and increments R5 by 960! STR R2, [R9,#const-struc] ; const-struc is an expression evaluating to a!!!!; constant in the range ! STRH R3, [R4], #4!; Store R3 as halfword data into address in R4,!!!; then increment R4 by 4! LDRD R8, R9, [R3, #0x20] ; Load R8 from a word 8 bytes above the address in!!!; R3, and load R9 from a word 9 bytes!!!!!; above the address in R3! STRD R0, R1, [R8], #-16 ; Store R0 to address in R8, and store R1 to a word!!!; 4 bytes above the address in R8, and then!!!!; decrement R8 by 16.! 49

44 ARM Cortex M3 Instruktioner Databehandling 50

45 ARM Cortex M3 Instruktioner Databehandling Skiftoperationer ASR, LSR, LSL, ROR, RRX! Logiska operationer AND, ORR, EOR, BIC, ORN! Aritmetiska och test instruktioner ADD, ADC, SUB, SUBC, RSB,! CMP, CMN, TST, TEQ, CLZ! MUL, MLA, MLS, SDIV, SMLAL, SMULL, UMLAL, UMULL! SSAT, USAT! BFC, BFI, SBFX, SXTB, SXTH, UBFX, UXTB, UXTH! 51

46 ARM Cortex M3 Instruktioner Databehandling Flytta mellan register och ladda in små konstanter till register MOV, MVN, MOVW MOVT REV, REV16, REVSH, RBIT 52

47 ARM Cortex M3 Instruktioner Skiftoperationer ASR #3 LSR #3 LSL #3 53

48 ARM Cortex M3 Instruktioner Skiftoperationer ROR #3 RRX 54

49 ARM Cortex M3 Instruktioner Logiska operationer AND, ORR, EOR, BIC, and ORN Logical AND, OR, Exclusive OR, Bit Clear, and OR NOT.! Examples:! AND R9, R2, #0xFF00! ORREQ R2, R0, R5! ANDS R9, R8, #0x19! EORS R7, R11, #0x ! BIC R0, R1, #0xab! ORN R7, R11, R14, ROR #4! ORNS R7, R11, R14, ASR #32! 55

50 ARM Cortex M3 Instruktioner Aritmetiska operationer ADD, ADC, SUB, SBC, and RSB! Add, Add with carry, Subtract, Subtract with carry, and Reverse Subtract. Exempel:! ADD R2, R1, R3! SUBS R8, R6, #240 ; Sets the flags on the result! RSB R4, R4, #1280 ; Subtracts contents of R4 from 1280! ADCHI R11, R0, R3 ; Only executed if C flag set and Z!!!; flag clear.! 56

51 ARM Cortex M3 Instruktioner Flytta mellan register MOV and MVN! Move and Move NOT. Exempel! MOVS R11, #0x000B!; Write value of 0x000B to R11, flags get updated! MOV R1, #0xFA05!; Write value of 0xFA05 to R1, flags are not updated! MOVS R10, R12!; Write value in R12 to R10, flags get updated! MOV R3, #23!!; Write value of 23 to R3! MOV R8, SP!!; Write value of stack pointer to R8! MVNS R2, #0xF!; Write value of 0xFFFFFFF0 (bitwise inverse of!!! 0xF) to the R2 and update flags.! 57

52 ARM Cortex M3 Instruktioner - Hopp B, BL, BX, BLX CBZ, CBNZ IT TBB, TBH 58

53 B, BL, BX, and BLX Branch instructions. L with linking, X based on register 59

54 Exempel B loopa BLE ng! B.W target BEQ target BEQ.W target!; Branch to loopa!!; Conditionally branch to label ng!!; Branch to target within 16MB range!!; Conditionally branch to target!!; Conditionally branch to target within 1MB! BL func!; Branch with link (Call) to function func,!!!!; return address stored in LR! BX LR!!; Return from function call! BXNE R0!; Conditionally branch to address stored in R0! BLX R0!!; Branch with link and exchange (Call)!!!!!; to a address stored in R0.! 60

55 ARM Cortex M3 Instruktioner - Övrigt 61

56 Enkelt villkor if (tal==23){!!<kod l> }! <kod2>!!!! if (tal!=23){!!<kod l> }! <kod2>!!!cmp Rl, #23 ; (R1)- 23!!BNE KOD2 ; om inte lika hoppa förbi!!<kod l> ; annars utför! KOD2 <kod2>!!!!cmp Rl, #23 ; (R1)- 23!!BEQ EXIT!<kod l>! EXIT ---!! ; om lika, hoppa förbi! 62

57 if-else sats if (tal==tal2){!!<kod l> }! Else {!!<kod2>}!!!cmp Rl, R2!!BEQ KOD1 ; om lika hoppa till kod1! KOD2!<kod2>!!B SLUT! KOD1!<kodl>! SLUT ---!!! 63

58 Användning av villkorade instruktioner 64

59 for-loop for (i=0; i<25; i++)! {! <vad som skall utföras>! }! <fortsättning på koden>!!ldr R0,#0! LOOP!CMP R0,#25!!BGE EXIT!!<vad som skall utföras>!!add R0,R0,#1!!B LOOP! EXIT <fortsättning på koden>!!!! 65

60 while-sats While(tal!=25)! {! <tal förändras på något sätt>! }! <fortsättning på koden>! LOOP!CMP R0,#25!!BEQ EXIT!!<R0 förändras >!!B LOOP! EXIT <fortsättning på koden>!!!! 66