Программирование голого железа Raspberry Pi

[CityAceE]

Итак, давайте потихоньку двигаться дальше. Предлагаю внести в пример из предыдущего сообщения небольшие изменения. А именно, после строки с директивой org добавить ещё три строки:

    blx start
    thumb
start:

То есть по итогу должно получиться вот так:


Так как мы что-то добавили в программу, то исполняемый код должен увеличиться на несколько байт. Давайте скомпилируем и проверим. И что мы видим? Исполняемый код стал объёмом 46 байт, то есть ещё короче чем был! А был, напомню, 54 байта.

Что же произошло? Давайте попробуем разобраться и дизассемблировать код обеих вариантов с помощью популярного дизассемблера IDA Pro.

Вот так выглядит код первоначального варианта (54 байта):



Всё совпадает с ассемблерным текстом! (На команду MOV R0 не обращайте внимания. По умолчанию IDA для простоты восприятия заменяет некоторые последовательности команд в метакоманды. Вот и здесь она заменила две команды загрузки регистра R0 по половинкам (MOV и MOVT) в одну длинную загрузку, которая на самом деле отсутствует в наборе команд процессоров ARM. Где-то в настройках IDA Pro это можно отключить и тогда всё будет отображаться, как есть.)

А вот так выглядит дизассемблер модифицированного варианта (46 байт):



И тоже всё совпадает, и даже дополнительная команда BLX появилась. Но при этом код стал короче!

А произошло следующее: директивой thumb мы дали команду ассемблеру все дальнейшие команды вместо стандартного 32-х битного режима ассемблировать в 16-битном режиме thumb. А, собственно, командой BLX мы дали понять процессору, что код, на который будет осуществлён дальнейший переход, будет исполняться в режиме thumb.

В режиме thumb все команды, в отличие от 32-х битного режима, кодируются только двумя байтами. В результате исполняемый код такой программы становится более компактным. И всё было бы отлично, если бы не кое-какие ограничения. И прежде всего это ограниченный набор команд - их всего лишь 36. Есть и другие ограничения, но сейчас не будем на них останавливаться.

Что касается меня, то режим thumb привлёк моё внимание именно ограниченным набором команд. Дело в том, что за долгую историю архитектуры ARM было выпущено несколько поколений процессоров. Для них было придумано большое количество команд, у каждой из которых есть свои особенности. Разобраться и изучить их все довольно проблематично. А здесь же мы имеем только 36 команд, с помощью которых можно запрограммировать практически любое действие. При этом, если вам когда-нибудь вдруг станет тесно в рамках thumb, вы всегда сможете перейти на 32-х битную систему команд без необходимости что-то менять в своём коде. Наверное, здесь можно привести аналогию с процессорами i8080 (КР580ВМ80А) и Z80. Если писать код для процессора i8080 (аналогия с thumb), то код будет работать и на i8080, и на Z80. Но если вам становится тесно, то вы можете начать использовать дополнительные регистры и команды процессора Z80 (аналогия с 32-х битным режимом ARM), но тогда уже потеряете совместимость с i8080.

В конце хочу привести полный список из 36 команд процессоров ARM в режиме thumb:

№	Мнемоника	Команда	Пример	Эквивалент кода ARM
1	ADC	Сложение с учетом переноса	ADC Rd, Rs	ADCS Rd, Rd, Rs
2	ADD	Сложение	ADD Rd, Rs, Rn	ADD Rd, Rs, Rn
3	AND	Логическое "И"	AND Rd, Rs	ANDS Rd, Rd, Rs
4	ASR	Арифметический сдвиг вправо	ASR Rd, Rs	MOVS Rd, Rd, ASR Rs
5	B	Безусловный переход	B label	B label
6	BCC	Переход по условию CC	BCC label	BCC label
7	BIC	Сброс битов (маскирование)	BIC Rd, Rs	BICS Rd, Rd, Rs
8	BL	Переход со ссылкой	BL label	BL label
9	BX	Переход и смена режима ядра	BX Hs	BX Hs
10	CMN	Сравнение с отрицанием	CMN Rd, Rs	CMN Rd, Rs
11	CMP	Сравнение	CMP Rd, #Offset8	CMP Rd, #Offset8
12	EOR	Исключающее "ИЛИ"	EOR Rd, Rs	EORS Rd, Rd, Rs
13	LDMIA	Групповая загрузка регистров	LDMIA Rb!, {Rlist}	LDMIA Rb!, {Rlist}
14	LDR	Загрузка целого слова	LDR Rd, [PC, #lmm]	LDR Rd, [PC, #lmm]
15	LDRB	Загрузка байта	LDRB Rd, [Rb, Ro]	LDRB Rd, [Rb, Ro]
16	LDRH	Загрузка полуслова	LDRH Rd, [Rb, #lmm]	LDRH Rd, [Rb, #lmm]
17	LSL	Логический сдвиг влево	LSL Rd, Rs, #Offset5	MOVS Rd, Rs, LSL #Offset5
18	LDRSB	Загрузка байта со знаком	LDRSB Rd, [Rb, Ro]	LDRSB Rd, [Rb, Ro]
19	LDRSH	Загрузка полуслова со знаком	LDRSH Rd, [Rb, Ro]	LDRSH Rd, [Rb, Ro]
20	LSR	Логический сдвиг вправо	LSR Rd, Rs	MOVS Rd, Rd, LSR Rs
21	MOV	Пересылка	MOV Rd, #Offset8	MOVS Rd, #Offset8
22	MUL	Умножение	MUL Rd, Rs	MULS Rd, Rs, Rd
23	MVN	Пересылка с инверсией	MVN Rd, Rs	MVNS Rd, Rs
24	NEG	Инверсия (побитовое "НЕ")	NEG Rd, Rs	RSBS Rd, Rs, #0
25	ORR	Логическое "ИЛИ"	ORR Rd, Rs	ORRS Rd, Rd, Rs
26	POP	Извлечение регистров из вершины стека	POP {Rlist}	LDMIA R13!, {Rlist}
27	PUSH	Размещение регистров в вершине стека	PUSH {Rlist}	STMDB R13!, {Rlist}
28	ROR	Циклический сдвиг вправо	ROR Rd, Rs	MOVS Rd, Rd, ROR Rs
29	SBC	Вычитание с переносом	SBC Rd, Rs	SBCS Rd, Rd, Rs
30	STMIA	Групповое сохранение регистров	STMIA Rb!, {Rlist}	STMIA Rb!, {Rlist}
31	STR	Сохранение целого слова	STR Rd, [Rb, Ro]	STR Rd, [Rb, Ro]
32	STRB	Сохранение байта	STRB Rd, [Rb, Ro]	STRB Rd, [Rb, Ro]
33	STRH	Сохранение полуслова	STRH Rd, [Rb, Ro]	STRH Rd, [Rb, Ro]
34	SWI	Программное прерывание	SWI Value8	SWI Value8
35	SUB	Вычитание	SUB Rd, Rs, Rn	SUBS Rd, Rs, Rn
36	TST	Побитовая проверка	TST Rd, Rs	TST Rd, Rs

Rs - Регистр-источник (Register source)
Rd - Регистр-приёмник (Register destination)
Ro - Отступ (Register offset)
Rn - Второй аргумент в арифметических операциях
Rlist - Список регистров