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# ARM Befehle
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## ARM 7
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- Architektur: ARM v4T, Prozessor ARM7 TDMI
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- 1994 rausgekommen
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- 12-70 MHz, 0,889 DMIPS/MHz
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- [RISC](Klassifikation.md#risc-prinzipien), Load-Store-Architektur
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- 3-stufige [Pipeline](MU7Rechner.md#pipeline)
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- Instruction Set
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- ARM 32 bit oder Thumb
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- [3-Adress-Befehle](Klassifikation.md#3-adress-befehle)
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- Little Endian als Standard
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### ARM-Datenpfad
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### ARM7-ALU
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### ARM7-Pipeline für ALU-Befehle
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- Latenz
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- 3 Zyklen
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- Durchsatz
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- 1 Befehl je Zyklus
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#### Multi-cycle Execution
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- Execute benötigt einen Takt für simple Instruktionen
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- Bei Speicherzugriff mind. 2 Takte
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- Adress Berechnung
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- Speicherzugriff
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- 
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## Load/Store Befehle Hazard in Von-Neumann
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## ARM Registerstruktur
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## Statusflags
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- **N** (Negative)
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- Das Ergebnis der ALU ist negativ (Bit 31=1)
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- **Z** (Zero)
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- Das Ergebnis der ALU ist Null (Bit 0..31 = 0)
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- **C** (Carry)
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- Bei arithmetischer Operation wird C auf Carry-Out der ALU gesetzt
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- Sonst auf Carry-Out des Shifters bzw. ohne Shift Operation bleibt C erhalten
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- **V** (Overflow)
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- Wenn Zahlensystem geändert wird
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- Wenn mit unsigned gerechnet wird ist V ohne Interesse
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## Current Program Status Register (CPSR)
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- 
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- **T-Bit**
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- T = 0
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- Prozessor in Arm State
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- T = 1
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- Prozessor in Thumb State
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- **Interrupt Disable Bit**
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- I = 1, disables IRQ
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- F = 1, disables FIQ
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- **Mode Bits**
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- Spezifizieren Prozessor Mode
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## Übersetzungstabelle Assembler - Binärcode
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## Thumb Befehlsatz
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- zusätzlicher Befehlssatz
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- 16 Bit
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- Intern werden sie auf 32 Bit erweitert
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- Programme verbrauchen nur halben Speicher
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- weniger Register stehen zur Verfügung
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- Während Programmausführung kann zwischen ARM-32 und Thumb gewechselt werden
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- Thumb-2 ist ein gemischter 16/32 Bit Befehlssatz
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- Prozessor ARM7TDMI unterstützt sowohl ARM als auch Thumb
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## ARM Befehlssatz
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- Drei Befehlstypen
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- zur Datenverarbeitung (bspw. Addition)
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- Ablaufsteuerung (bspw. Verzweigungen)
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- Befehle zur Adressierung
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- Groß-Kleinschreibung wird ignoriert
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### ARM-Befehle: MOV
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- MOV ist ein Datentransferbefehl
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- Kopiert Daten in ein Register
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- Beispiele
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- mov r0, r1 @Inhalt von R1 wird nach R0 kopiert
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- mov r1, #0 @Zahl 0 wird nach R1 kopiert
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- mov pc, lr @PC wird auf LR gesetzt
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- Variante:
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- mvn r1, r2
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- Wendet zusätzlich zu mov ein EOR auf Inhalt von r2 an
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### ARM-Befehle: ADD
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- Die arithmetischen Befehle der ARM Prozessoren sind 3-Register-Befehle
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- Alle Operanden sind 32Bit
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- Das Ergebnis ist 32 Bit
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- 3 Operanden: 2 als Input, 1 als Ergebnis
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- Beispiel
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- ADD r0, r0, r3 @R0 = R0 + R3
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### ARM-Befehle: SUB
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- ARM-Prozessoren implementieren keine Subtraktion
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- Addition mit 2er Komplement
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- Beispiel
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- SUB r0, r0, r3 @R0 = R0 - R3 = R0 + (-R3)
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### ARM-Befehle: CMP
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- Befehl vergleicht zwei Werte auf Gleichheit und setzt Statusflags entsprechend
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- CMP r0, #5 @r0 == r5?
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- Dazu wird folgende Berechnung (r0=3) ausgeführt
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- CMP r0, #5 @r0-5 = 3-5 ausgeführt
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- MOV r1, #5
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- SUBS r1, r0, r1
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- Folgende Statusflags werden gesetzt
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- 
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### ARM-Befehle: -S
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- Setzen des Statusregisters bei arithmetischen und logischen Befehlen
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- Bedingungsbits des Statusregisters werden nur bei Test-/Compare-Befehlen automatisch gesetzt
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- Alle anderen Befehle müssen explizit setzen
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- Beispiel
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- add r0, r0, r3 @lässt Statusregister unverändert
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- subs r0, r0, #1 @schreibt alle Flags NZCV
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### ARM-Befehle: - {cond}
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- Jeder Befehl kann bedingt ausgeführt werden
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- Bedingung (bezogen auf vorher gesetzte Werte des Statusregisters) als Ergänzung an den Befehl angehängt
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- Beispiel
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- CMP r0, #5
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- ADDNE r1, r1, r0
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- SUBNE r1, r1, r2
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- if (r0 != 5) {r1 = r1+r0-r2}
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- NE = not equal
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- Bezogen auf die vorherigen Werte des Statusregisters
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#### Bedingte Ausführung von Befehlen
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##### Signed/unsigned
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##### carry set / higher same
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- Beispiel:
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- CMP r0, r1 @berechnet R0-R1, also R0 + (-R1) und setzt NZCV
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- JCS sprungziel @springt zur Marke "sprungziel", wenn CS erfüllt ist
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- Bedeutung: Wenn **unsigned >=** dann C gesetzt
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- R0 = 3,R1 = 2 (nur 4-Bit Darstellung)
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- R0 = 0011 2k = 1110
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- Berechnet: 0011 + 1110 = 3 + (-2) = 0001
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- C = 1
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- R0 = 2, R1 = 3 (nur 4-Bit Darstellung)
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- R0 = 0010 R1 = 0011
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- Berechnet: 0010 + 1101 = 2 + (-3) = 1111
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- C = 0
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##### Bedingte Ausführung LT (Less than)
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- Beispiel
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- CMP R0, R1 @berechnet R0-R1 und setzt NZCV
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- JLT sprungziel @springt zur Marke "sprungziel", wenn CS erfüllt ist
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- Bedeutung: wenn **signed <** dann N ungleich V
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- Beispiel 1
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- R0 = 3, R1 = 4 (nur 8 Bit)
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- R0 = 00000011 R1 = 00000100
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- Berechnet: 00000011 + 11111100 = 3 + (-4) = 11111111
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- N = 1, V = 0
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- Beispiel 2
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- R0 = -127, R1 = 2
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- R 0 = 10000001 R1 = 00000010
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- Berechnet: 10000001 + 11111110 = -127 + (-2) = 127 (?)
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- N = 0, V = 1
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### ARM-Befehle: Der Barrel Shifter
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#### LSL: Logical Shift Left = Arithmetic Shift Left (ASL)
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- 
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- Multiplikation mit einer Zweier-Potenz
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- 
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- LSL R0, R1, #5 -> R0 = R1*2^5
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#### LSR: Logical Shift Right
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- 
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- Division durch eine Zweier-Potenz
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- 
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- LSR R0, R1, #5 -> R0 = R1/2^5
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#### ASR: Arithmetic Shift Right
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- 
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- Division durch eine Zweier-Potenz unter Erhaltung des Vorzeichens
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- 
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- ASR #5, positiver Operand
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#### ROR: Rotate Right
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- 
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- 
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#### RRX: Rotate Right Extended
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#### Multiplikation mit einer Konstanten
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- mit 2^x oder als 2^x +-1 darstellen lassen
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- können in einem Zyklus durchgeführt werden
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- Beispiel: Mul mit 5
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- ADD r0, r1, r1, LSL #2
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- Durch Zusammensetzen mehrerer Instruktionen können auch komplexere Multiplikationen durchgeführt werden
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- Beispiel: Mul 10
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- ADD r0, r1, r1, LSL #2
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- LSL r0, r0, #1 @mov r0, r0, LSL#1
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- Beispiel Mul mit 119 = 17·7 = (16+1)·(8-1)
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- ADD r2, r3, r3, LSL #4 @r2 = r3·17
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- RSB r2, r3, r2, LSL #3 @r2 = r2·7
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## UAL (Unified Assembler Language)
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- gemeinsamer Syntax für ARM32 und Thumb
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- gleicher Code für beide Modi
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- Falls Befehl nicht umgesetzt werden kann
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- Assembler gibt Fehlermeldung aus
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- Beispiel 1
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- vorher
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- Thumb: AND R0, R1
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- ARM: AND, R0, R0, R1
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- Jetzt: AND **R0, R0, R1**
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- Beispiel 2
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- vorher
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- Thumb: LSL R0, R1, #2
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- ARM: MOV R0, R1, LSL #2
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- Jetzt: **LSL R0, R1, #2**
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## Arithmetische und logische Befehle
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### Binärcodierung arithmetischer und logischer Befehle
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### Assembler Format
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- Arithmetische und logische Befehle haben eins der beiden logischen Formate
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- \<op\>{\<cond\>}{S} -> Rd, Rn, #\<32-Bit-Immidiate\>
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- \<op>{\<cond\>}{S} -> Rd, Rn, Rm, {\<shift>}
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- Rd: Destination
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- Rn: Operand 1
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- Rm: Operand 2
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- Beispiel:
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- ADD r0, r1, r2
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- ADD r0, r2, #4
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- MOV r0, r1
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- ADDGTS r0, r1, r2, LSR r3
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#### Operand 2 als Konstante (Immidiate)
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- Befehlsformat für Datenverarbeitungsbefehle reserviert 12 Bits für Operand 2
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- ergäbe einen Wertebereich von max 2^12 = 4096
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- oder aufgeteilt in Wertebereiche mit 8 Bits (0-255)
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- Diese 8 Bits können (links) rotiert werden
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- gerade Anzahl von Positionen (0, 2, 4, ..., 30)
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- Ergibt weitaus größere Abdeckung des Zahlenbereichs
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- 8 zusammenhängende Bits innerhalb des 32-Bit-Wertebereichs
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- 
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- Einige Konstanten müssen dennoch vom Speicher geladen werden
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- oder in einem Register konstruieren
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- 
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#### Operand 2 als Konstante
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- Wertebereich
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- | 0-255 | [0-0xff] |
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|-----------------------------|--------------------------------------------|
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| 256, 260, 264, ..., 1020 | [0x100-0x3fc, step 4, 0x40-0xff ror 30] |
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| 1024, 1040, 1056, ..., 4080 | [0x400-0xff0, step 16, 0x40-0xff ror 28] |
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| 4096,4160, 4224,..,16320 | [0x1000-0x3fc0, step 64, 0x40-0xff ror 26] |
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- Beispiel MOV-Befehl
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- MOV r0, #0xFF000000 @MOV r0, #0xFF, 8
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- Beispiel MVN: erzeuge das bitweise 1er-Komplement
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- MOV r0, #0xFFFFFFFF @umgesetzt zu MVN r0,#0
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- Falls benötigte Konstante nicht erzeugt werden kann
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- Assembler erzeugt Fehlermeldung
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## Multiplikation
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## Befehle zur Ablaufsteuerung
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### Sprungbefehle (Branch)
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- dienen dazu den Kontrollfluss von Programmen zu kontrollieren
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- in Kombination mit Vergleichsbefehlen
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- können alle wichtigen Anweisungen (if, else, while, for, switch) darstellen
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- Ziel ist immer eine Marke (Label)
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- Assembler erzeugt Sprungadresse
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- Beispiel
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- ```
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CMP R0, #0
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BNE Marke 1
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...
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|
...
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Marke 1: MOV R5, #5
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```
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- 
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### Sprungbefehle
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#### Unterprogramme (Branch-with-Link)
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- Der Befehl BL führt einen Sprung aus
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- speichert die Rücksprungadresse im Link-Register r14(LR)
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- Weitere Subroutinen müssen r14(LR) im Speicher sichern
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- bspw. auf Stack und bei Rückkehr in r15(PC) wieder herstellen
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- Arbeitsregister können ebenfalls gesichert werden
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- wenn Unterprogramm diese benötigt
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- Übergabe von Parametern nach APCS-Standard
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- Beispiel
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- 
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#### Sprungbefehle mit Mode-Wechsel (32Bit Thumb)
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- **BX Rn Branch and Exchange**
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- Als Argument erhält der Befehl eine Registeradresse
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- Inhalt wird in PC kopiert
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- Falls ungerade → Wechsel in Thumbmode
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- Falls gerade → Wechsel in ARM-Mode
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- Befehl **BX LR** ist Standardbefehl um Unterprogramme zu verlassen
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- Rücksprungadresse steht noch im Linkregister
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- **BXL Label - Branch and Link with Exchange**
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- Standardbefehl zum Aufruf von Unterprogrammen
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- wird in Programmen mit gemischtem 32-Bit/Thumb Code genutzt
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- **BLX Rn**
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- Führt Modewechsel durch
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- Speichert nächste Adresse im Linkregister
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#### Unterprogrammaufruf mit Modewechsel
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### Befehle zur Ablaufsteuerung - Beispiele
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- 
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- Befehle MOV PC, Rd, ist nach Einführung des Thumb Befehlssatzes nicht mehr empfohlen
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- Lässt direkten Zugriff auf PC nicht zu
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- Stattdessen BX, BLX
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- Alle Sprungbefehle können bedingt ausgeführt werden
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- Offset der Sprungbefehle bis zu 32 MByte
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- FÜr größere Sprünge muss Zieladresse erst in ein Register geladen werden
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### Assembler-Format der Sprungbefehle
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## APCS (ARM Procedure Calling Standard)
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- Standard definiert wie Funktionen geschrieben werden sollen
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- können unabhängig geschrieben, compiliert, assembliert uns später gelinkt werden
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- Umfasst auch andere Programmiersprachen wie C
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- Definiert sind
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- Anforderungen an aufrufende/aufgerufene Funktionen
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- Einschränkungen bei der Nutzung von Registern durch Funktionen
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- Daten- und Stacklayout und Konventionen
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- C/C++ Language Bindings, shared libs, reentrant code, etc.
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### Parameterübergabe an Funktionen
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- Funktionsaufruf:
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- Result = fct(ARG1, ARG2, ARG3, ARG4)
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- Parameter 1-4 in Register r0-r3 übergeben
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- Rückgabewert von Funktionen steht im Register r0 oder r0/r1
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- Verwendung von Registern in der Funktion
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- r0-r3 und IP = Scratch Register
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- dürfen im Unterprogramm zerstört werden
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- Informationen in r4-r10, fp, sp dürfen nicht zerstört werden
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- Inhalt von lr wird zur Rückkehr ins aufrufende Programm benötigt
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- 
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## [ARM Adressierung](arm_adressierung.md)
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