Embedded System

ARM 組合語言介紹

開發環境

IDE

  • SW4STM32
    • 支援 STM32
    • GCC C/C++ compiler
    • GDB-based debugger

板子

  • STM32 Bucleo Board
    • Cortex-M4
    • ST-LINK
      • debugger
    • Memories
      • 1MB Flash
      • 128KB SRAM

Debug Interface

  • JTAG
    • Joint Test Action Group
    • standard ASICs hardware debug interface
  • SWD
    • Serial Wire Debug
    • 只從 JTAG 用 5 wires

Bootup Code

  1. Reset

  2. Boot Loader

    • 0x00000000 的程式
    • 把 CPU 重置

  3. Reset handler

    • Ststem initialization

  4. C startup code

  5. Application(main)

Memory map

見官網 memory map

只用到 SRAM 的 128KB(SRAM)，還有 Code 的 1MB(Flash)

Sections

  • .data
    • 儲存資料
  • .text
    • 儲存程式碼

同 section 會放在一塊是為了設定 read-only 方便，比如 .text 的要靠硬體實現 read-only

重要的額外文件

  • Linker Script
    • 定義了不同 section 該存放的地方，以及 memory 相關定義
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    MEMORY
{
    RAM (xrw)		: ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 96K
    ROM (rx)		: ORIGIN = 0x8000000, LENGTH = 1024K
}

SECTIONS
{
/* The program code and other data into ROM memory */
.text :
{
    . = ALIGN(8);
    *(.text)           /* .text sections (code) */
    *(.text*)          /* .text* sections (code) */
    *(.glue_7)         /* glue arm to thumb code */
    *(.glue_7t)        /* glue thumb to arm code */
    *(.eh_frame)

    KEEP (*(.init))
    KEEP (*(.fini))

    . = ALIGN(8);
    _etext = .;        /* define a global symbols at end of code */
} >ROM

.data : 
{
    . = ALIGN(8);
    _sdata = .;        /* create a global symbol at data start */
    *(.data)           /* .data sections */
    *(.data*)          /* .data* sections */

    . = ALIGN(8);
    _edata = .;        /* define a global symbol at data end */
} >RAM AT> ROM
}
  • Make File
    • 描述如何編譯和連接的規則
    • 把 startup 的 .s檔加進去
  • startup_stm32.s

    • 編譯好後擺在 binary 頭的地方

    • vector table

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      /******************************************************************************
*
* The STM32L476RGTx vector table.  Note that the proper constructs
* must be placed on this to ensure that it ends up at physical address
* 0x0000.0000.
*
******************************************************************************/
.section .isr_vector,"a",%progbits
.type g_pfnVectors, %object
.size g_pfnVectors, .-g_pfnVectors


g_pfnVectors:
.word _estack
.word Reset_Handler
.word NMI_Handler
.word HardFault_Handler
.word	MemManage_Handler
.word	BusFault_Handler
.word	UsageFault_Handler
.word	0
.word	0
.word	0
.word	0
.word	SVC_Handler
      • Reset_Handler 
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        Reset_Handler:
    ldr   r0, =_estack
    mov   sp, r0          /* set stack pointer */

    /* Copy the data segment initializers from flash to SRAM */
    ldr r0, =_sdata
    ldr r1, =_edata
    ldr r2, =_sidata
    movs r3, #0
    b LoopCopyDataInit

LoopCopyDataInit:
    adds r4, r0, r3
    cmp r4, r1
    bcc CopyDataInit

    /* Zero fill the bss segment. */
    ldr r2, =_sbss
    ldr r4, =_ebss
    movs r3, #0
    b LoopFillZerobss

LoopFillZerobss:
    cmp r2, r4
    bcc FillZerobss

    /* Call the clock system intitialization function.*/
    bl  SystemInit
    /* Call static constructors */
    bl __libc_init_array
    /* Call the application's entry point.*/
    bl main

ARM Register

  • ARM 的可存取暫存器為 R0-R15

    • r13: Stack Pointer
    • r14: Link Register
    • r15: Program Counter
    • r0~r7 是 low register r8~r15 是 high register

  • 狀態暫存器

    • CPSR (Current Processor Status Register)
      • 用來儲存各種狀態，包含 condition flag，比如 negative, zero, carry, overflow
        • carry: 無符號加法操作是否溢出
        • overflow: 有符號加法操作是否溢出
        • 當兩個都為 1 或都為 0 代表運算沒問題

  • 有多種模式，有些模式有自己獨立的 r 暫存器，並有 SPSR，用來在中斷發生時，把 CPSR 的資訊 copy 過去

  • Special-purpose registers

    • APSR, IPSR, EPSR

Assembly syntax

  • UAL: Unified Assembler Language
  • 自己去翻 instruction set

Instructions class

  • Branch instructions
    • B, BL, BX,…
  • Data-processing instructions
    • MOV, ADD, SUB, MUL,…
  • Load and store instructions
    • LDR, STR,…
  • Status register access instructions
    • MSR, MRS,…
  • Miscellaneous instructions
    • Memory Barrier instructions
    • Exception-Related instructions
    • Pseudo instructions

examples

  • MOVS R0, #0x12

    • R0=0x12

  • MOVS R1, #`A`

    • R1=A(ASCII)

  • NVIC_IRQ_SETEN EQU 0xE000E100

    • 宣告常數 NVIC_IRQ_SETEN，賦值 0xE000E100

  • LDR R0,=NVIC_IRQ_SETEN

    • 放 0xE000E100 進 R0
    • 這不能改成 MOVS R0, #0xE000E100 ，因為每個 instruction 只有 32 個 bits，這勢必塞不下，必須從記憶體 load 進來

  • NVIC_IRQ0_ENABLE EQU 0x1

    • 宣告常數 NVIC_IRQ0_ENABLE，賦值 0x1

  • MOVS R1, #NVIC_IRQ0_ENABLE

    • R1=0x1

  • STR R1, [R0]

    • 把 0x1 存到 0xE000E100，這裡可以 enable external interrupt IRQ#0

  • LDR rn [pc, #offset to literal pool]

    • load register n with one word from the address [pc + offset]
    • 最後的形式

Operand2

  • 共有 12 bits
    • 設計成 4 bits for rotate, 8 bits for Immediate

ARM instrcution formats

  • ADD vs ADDS
    • 有 S 代表會去更新 status
  • cond
    • 根據之前的執行情況，判斷指令要不要執行
    • suffix

Reverse Ordering Operations

  • REV (Byte-Reverse Word)
    • 把 4 個 Byte 全數反轉，用在一個是 Little-Endian 一個是 Big-Endian 的情況

Load and Store Instructions

  • examples
    • LDR r0, [r1]
      • r0 = [r1]
    • LDM r0, {r1, r2}
      • r1 = [r0]
      • r2 = [r0+4]
    • STM r0, {r1, r2}
      • [r0] = r1
      • [r0+4] = r2

Status Register Access Instructions

  • 一般來說不太會用到，因為用 suffix 就可以看條件
  • MRS: Register = Status Register
    • MRS r0, IPSR
  • MSR: Status Register = Register
    • MSR APSR, r0

If-Then-Else

  • 用 CMP 和 conditional branches
  • Example 
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        CMP R0, #10   ;compare r0 to 10
  BLE incr_counter ; if less or equal, then branch to incr_counter

Branch Instructinos

能跳的距離受限於 operand 長度

  • B-Branch
    • 能跳 PC 的 +/- 2046 bytes
  • BL-Branch and Link
    • 能跳 PC 的 +/- 254 bytes
    • Branch to subroutine 的時候，會把下一行指令放到 Link register
    • 沒有 push 到 stack，所以要特別小心，register 是共用的， 可能要視情況自己放到 stack
      • 比如要進兩層 function，可以用 push {r4-r6, LR} 和 POP {R4-R6, PC} 這種做法來保留參數
  • BX-Branch and exchange
    • return

Stack memory access

  • PUSH

    • SP = SP - N*4

  • POP

    • SP = SP + N*4

  • Ascending/Descending

    • stack 往哪個方向長

  • Empty/Full

    • stack 指向下一個空的位置，還是最後一個 item

  • 預設且常見的是 fully descending

  • STM 和 LDM 可以透過 suffix 來存到 stack

    • example
      • STMFD r13!, {r4-r7}
      • 把 r4 到 r7 push 到 stack

Memory Barrier Instructions

  • DMB, SDB, ISB
  • 在下個指令前 sync memory data

Function Call and Parameter Passing

  • caller 和 callee 誰負責 backup 和 restore
    • caller 負責
      • 不管 callee 怎樣亂搞都行
      • 但不知道 callee 要用哪些參數，全 backup 可能多此一舉
  • 怎麼傳遞參數給 callee
    • 常放在 stack，但這樣要透過 memory，相較 register 慢
  • 怎麼 return value 給 caller
    • 和上個問題差不多

ARM Procedure Call Standard

又稱 APCS，講不同的 register 的一種使用規範

  • r0-r3 用來當參數和回傳
  • r4-r11 用來 local variable，callee 使用前可以先 backup
  • r12-r15 特殊用途，沒事別亂動