Программирование голого железа Raspberry Pi

[CityAceE]

В предыдущем сообщении я привёл список команд, с помощью которых можно запрограммировать любую процедуру. Однако осталось кое-что, о чём следует иметь представление, прежде чем делать свои первые шаги в программирования на ассемблере ARM. И речь идёт о регистрах процессора.

В отличие от Спектрума тут всё довольно просто - у процессоров есть 16 регистров, которые обозначаются как r0-r15, а также два специальных регистра - CPSR и SPSR. Собственно, на этом всё

Но, на самом деле, как обычно, есть нюансы. Их много, но я остановлюсь лишь не некоторых из них.

Начнём с регистров общего назначения. Как уже было написано выше их всего 16. И все они 32-х битные, то есть каждый из них может хранить 4 байта, и, соответственно, процессор за одну команду может оперировать с таким объёмом данных. Однако не всеми регистрами Rxx вы можете распоряжаться, как заходите. Некоторые из них имеют специальное назначение, а некоторые и вовсе недоступны из режима Thumb.

Первые 8 регистров (r0-r7) - это регистры общего назначения, которые доступны из любого режима процессора, не важно Thumb (CODE16) это или ARM (CODE32). Пять следующих регистров (r8-r12) доступны только из режима ARM. Остаётся ещё три регистра, которые отведены под специальные задачи и помимо традиционного обозначения r13-r15 имеют псевдонимы.

r13 (SP) - это указатель стека, такой же как на ZX Spectrum, только разрядностью побольше.
r14 (LR) - это, так называемый, регистр связи. Он необходим, например, для вызова подпрограмм. На ZX Spectrum, когда мы вызываем подпрограмму по команде CALL, адрес возврата записывается на стек. В процессорах же АРМ всё происходит несколько иначе - адрес возврата записывается не на стек, а как раз в этот самый регистр связи. Причём, если вы потом из подпрограммы вызовете ещё одну подпрограмму, то адрес возврата затрёт предыдущий и из первой подпрограммы вы уже не сможете вернуться. Вот поэтому при вложенных подпрограммах необходимо самому заботится о сохранении регистра LR и его своевременном восстановлении.
r15 (PC) - это программный счётчик. Тут без особенностей, он такой же, как на Z80.

Вот так будет нагляднее:



CPSR (Current Program Status Register) - это регистр, который хранит флаги, а также информацию для обработки прерывания.
SPSR (Saved Program Status Register) - этот регистр хранит копию CPSR при обработке прерывания. Опять же, для нас этот регистр пока неактуален, как и всё, что связано с прерываниями.

На прерываниях останавливаться не будем, а вот про флаги поговорить, безусловно, стоит. В общем-то почти все флаги нам знакомы по процессору Z80:

Q (Saturation) - насыщение/переполнение в DSP-операциях (для нас пока неактуально)
V (oVerflow) - переполнение (знаковое)
C (Carry) - перенос бита (беззнаковый)
Z (Zero) - нулевой результат (равенство)
N (Negative) - отрицательное значение (бит 31 установлен)

Именно благодаря флагам мы можем производить какие-то действия в программе, в зависимости от результата работы предыдущих команд. В таблице приведено обозначение условий:

Предикат	Отрицание	Флаги	Комментарий
EQ	NE	Z	==
CS / HS	CC / LO	C	>= (беззнаковое)
MI	PL	N	< 0
VS	VC	V	переполнение
HI	LS	zC	> (беззнаковое)
GE	LT	NV || nv	>= (знаковое)
GT	LE	NzV || nzv	> (знаковое)
AL	-	-	Безусловная команда

Как и в Z80, здесь есть команда условного перехода, в качестве суффикса которой как раз используются обозначения условий из таблицы. И мы в программе "Hello, World!" уже использовали условный переход:

    cmp r3,10    ; Сравниваем код символа с кодом перевода строки
    bne loop    ; Переходим к следующему символу, если код символа не равен коду перевода

В первой строчке мы сравниваем содержимое регистра r3 с числом 10. А во второй команде, при условии BNE (branch if not equal - bne) мы переходим на метку loop. На Спектруме аналогом этой команды была бы команда jr nz,loop.

Любопытно, но по умолчанию почти все команды никак не затрагивают флаговый регистр. Вы можете до посинения вызывать команду SUB R1,1 и ожидать, что рано или поздно произойдёт обнуление регистра, сторожа его командой BEQ:

    mov r1,100
loop:
    sub r1,1
    beq exit  ; Данная команда никогда не сработает
    b  loop
exit:

Однако вас будет ожидать разочарование - команда BEQ никогда не сработает. А всё потому, что флаговый регистр не будет реагировать на результат команды SUB. И вот чтобы флаговый регистр всё-таки отреагировал, вам необходимо явно указать, что вам требуется реакция флагового регистра. Делается это довольно просто - суффиксом S. То есть вместо SUB, вам нужно использовать команду SUBS.

    mov r1,100
loop:
    subs r1,1
    beq exit  ; Команда сработает, когда в R1 будет 0
    b  loop
exit:

В качестве бонуса, суффикс S вы можете использовать даже в команде MOV. То есть вот такая команда BEQ вполне себе сработает после MOVS:

    movs r1,0
    beq label  ; Данная команда сработает

Но и это еще не всё! Помимо команд условного перехода практически любая команда может быть исполнена по условию, заданному в суффиксе. Например, команда MOVEQ будет выполнена только, если результат предыдущей операции, влияющий на флаговый регистр, будет равен нулю:

    movs r1,0
    moveq r2,1  ; Команда сработает
    movne r2,2  ; Команда не сработает

Правда, если вы дизассемблируете код вот с такими условными командами, то вы увидите, что компилятор добавил к ним одну или несколько команд IT, которые как раз позволяют процессору эти самые условия обрабатывать. То есть суффикс с условием транслируется в некоторую конструкцию команд IT. Это вас не должно никак беспокоить, если только вы не бьётесь за каждый байт исполняемого файла.

Думаю, что для начала этой информации о регистрах процессоров ARM вам будет достаточно.