Langue d'assemblage ARM (32 bits)
Le langage d'assemblage ARM représente l'une des architectures de processeurs les plus influentes et les plus déployées dans l'informatique moderne, alimentant des milliards d'appareils des smartphones et tablettes aux systèmes embarqués et de plus en plus, l'infrastructure de serveur. En tant qu'architecture d'ordinateur d'instruction réduite (RISC), l'assemblage ARM fournit un ensemble d'instructions propre, efficace et optimisé par la puissance qui a révolutionné l'informatique mobile et le développement de systèmes embarqués. L'accent mis par l'architecture ARM sur la simplicité, l'efficacité énergétique et l'évolutivité en a fait la plate-forme dominante pour les appareils alimentés par batterie tout en maintenant les capacités de performance requises pour les applications exigeantes. Comprendre le langage d'assemblage ARM est essentiel pour les programmeurs de systèmes embarqués, les développeurs d'applications mobiles, les chercheurs en sécurité travaillant avec les appareils ARM, et toute personne cherchant à optimiser les performances sur les processeurs ARM. Cette référence complète fournit une couverture détaillée de la programmation d'assemblage ARM, des principes fondamentaux du RISC et de l'architecture d'enregistrement aux sujets avancés tels que l'exécution conditionnelle, la programmation SIMD NEON et le développement au niveau du système qui permettent aux développeurs d'exploiter toutes les capacités des processeurs ARM.
Aperçu de l'architecture et philosophie du RISC
Contexte historique et évolution de la conception
L'architecture ARM remonte à Acorn Computers dans les années 80, où elle a été développée à l'origine comme la machine RISC de Acorn avant d'évoluer vers l'architecture RISC Machine avancée qui finirait par dominer l'informatique mobile. La philosophie de conception de l'architecture était centrée sur les principes de simplicité, d'efficacité et de performance du RISC grâce à une complexité d'instruction réduite plutôt qu'à une richesse d'instruction. Cette approche contraste fortement avec la philosophie de l'ordinateur complexe d'instruction (ICSC) illustrée par les processeurs x86, mettant plutôt l'accent sur un petit ensemble d'instructions hautement optimisées qui pourraient s'exécuter efficacement dans des implémentations matérielles simples.
L'évolution de l'architecture de l'ARM à travers plusieurs générations a toujours maintenu la compatibilité en arrière tout en introduisant des améliorations qui répondent aux nouvelles exigences informatiques. Du processeur ARM1 original à l'architecture ARMv7-A déployée, chaque génération a affiné l'ensemble d'instructions, amélioré les caractéristiques de performance et ajouté des fonctionnalités spécialisées pour des domaines d'application spécifiques. La conception modulaire de l'architecture permet des implémentations allant des microcontrôleurs ultra-faible puissance aux processeurs d'application à haute performance, démontrant l'évolutivité inhérente à l'approche RISC.
Principes de conception et mise en œuvre du RISC
Le langage d'assemblage ARM incarne les principes de base du RISC grâce à son ensemble d'instructions, son architecture de registre et son modèle d'exécution. L'architecture utilise un modèle de chargeur où l'accès à la mémoire se fait uniquement par des instructions de chargement et de stockage, tandis que toutes les opérations de calcul fonctionnent exclusivement avec des opérandes de registre. Cette séparation simplifie la conception du processeur, permet une pipeline efficace et fournit des caractéristiques de performance prévisibles qui facilitent l'optimisation du compilateur et le développement du système en temps réel.
; Load-store architecture examples
ldr r0, [r1] ; Load word from memory address in r1 to r0
str r2, [r3, #4] ; Store r2 to memory at r3 + 4 offset
add r4, r5, r6 ; Add r5 and r6, store result in r4 (register-only operation)
sub r7, r8, #10 ; Subtract immediate value 10 from r8, store in r7
L'ensemble d'instructions ARM se compose d'environ 100 instructions, beaucoup moins que les architectures du CDCI, mais fournit des capacités de calcul complètes grâce à la conception d'instructions orthogonales. Chaque instruction peut généralement être combinée avec divers modes d'adressage, codes de condition et types d'opérandes, créant un environnement de programmation riche malgré le nombre relativement faible d'instructions. Cette orthogonalité permet une génération de code efficace et simplifie la programmation en langage d'assemblage en fournissant des modèles cohérents pour différents types d'instructions.
Modes de processeur et niveaux de privilèges
Les processeurs ARM fonctionnent en plusieurs modes qui offrent différents niveaux de privilèges et droits d'accès, permettant la conception sécurisée du système et une manipulation efficace des exceptions. Les modes de processeur incluent le mode utilisateur pour le code d'application, divers modes privilégiés pour les logiciels système et les gestionnaires d'exception, et des modes spécialisés pour interrompre le traitement et la gestion du système. La compréhension de ces modes est essentielle pour la programmation et la mise en oeuvre de la sécurité au niveau du système sur les plateformes de gestion des risques.
; Mode switching and privilege examples
mrs r0, cpsr ; Read current program status register
bic r0, r0, #0x1F ; Clear mode bits
orr r0, r0, #0x13 ; Set supervisor mode
msr cpsr_c, r0 ; Write back to CPSR (privileged operation)
; Exception handling
swi #0 ; Software interrupt (system call)
bx lr ; Return from exception (branch and exchange)
```_
Le modèle de privilège permet aux systèmes d'exploitation de protéger les ressources du système tout en fournissant un accès contrôlé aux fonctionnalités du matériel. Les applications en mode utilisateur s'exécutent avec des privilèges restreints, tandis que le code du noyau et les pilotes de périphérique fonctionnent en modes privilégiés avec un accès matériel complet. Cette séparation constitue le fondement de la conception sécurisée du système et permet la mise en place de systèmes d'exploitation multitâches robustes sur les plates-formes ARM.
## Architecture et organisation des registres
### Registre général Jeu
L'architecture ARM fournit seize registres à usage général 32 bits (R0-R15) qui servent de stockage principal pour le calcul et l'adresse. Contrairement aux architectures avec des fonctions de registre spécialisées, les registres ARM sont en grande partie orthogonaux, ce qui signifie que la plupart des registres peuvent être utilisés de manière interchangeable à des fins différentes. Cependant, certains registres ont des utilisations conventionnelles et certains ont des comportements matériels spéciaux qui influencent les pratiques de programmation et les conventions d'appel.
```asm
; General-purpose register usage examples
mov r0, #42 ; Load immediate value 42 into r0
mov r1, r0 ; Copy r0 contents to r1
add r2, r0, r1 ; Add r0 and r1, store result in r2
lsl r3, r2, #2 ; Logical shift left r2 by 2 bits, store in r3
; Register addressing and manipulation
mov r4, #0x1000 ; Load base address
ldr r5, [r4] ; Load from base address
ldr r6, [r4, #4] ; Load from base + offset
ldr r7, [r4, r5] ; Load from base + index register
```_
La conception orthogonale de l'ensemble de registres permet des approches de programmation flexibles et une génération de code compilateur efficace. La plupart des opérations de mouvements arithmétiques, logiques et de données peuvent utiliser n'importe quel registre comme source ou destination, offrant une flexibilité maximale pour l'attribution et l'optimisation des registres. Cette flexibilité contraste avec les architectures qui ont des registres spécialisés pour des opérations spécifiques, permettant une utilisation plus efficace des ressources disponibles.
### Registres spéciaux
Alors que la plupart des registres ARM sont à usage général, les registres R13, R14 et R15 ont des comportements matériels spéciaux et des utilisations conventionnelles qui sont cruciales pour la programmation ARM appropriée. R13 sert de pointeur Stack (SP), R14 fonctionne comme registre de liaison (LR) pour les appels de fonction, et R15 fonctionne comme compteur de programme (PC) avec des comportements d'adressage spéciaux.
```asm
; Stack pointer operations
push \\\\{r0, r1, r2\\\\} ; Push registers onto stack (decrements SP)
pop \\\\{r0, r1, r2\\\\} ; Pop registers from stack (increments SP)
add sp, sp, #16 ; Manually adjust stack pointer
; Link register and function calls
bl function_name ; Branch with link (saves return address in LR)
bx lr ; Return to caller (branch and exchange to LR)
mov lr, pc ; Manually save return address
; Program counter behavior
mov r0, pc ; Read current PC value (PC + 8 due to pipeline)
add pc, pc, #4 ; Jump forward 4 bytes (relative branch)
ldr pc, [r1] ; Indirect jump through memory
Le registre de liens (LR) reçoit automatiquement l'adresse de retour lorsque les instructions de branche avec lien s'exécutent, permettant une implémentation efficace des appels de fonctions sans manipulation de pile pour des fonctions simples. Le comportement du compteur de programmes reflète l'architecture du pipeline ARM, où PC lit retourner l'adresse de l'instruction actuelle plus 8 octets, en tenant compte des étapes du pipeline de l'instruction.
Registre actuel de l'état du programme (RSPC)
Le Registre d'état actuel du programme (CPSR) contient des informations sur l'état du processeur, y compris les drapeaux de code d'état, les bits de mode de processeur et les drapeaux de contrôle qui affectent l'exécution des instructions. Le PCSR permet la capacité unique d'exécution conditionnelle de l'ARM et fournit l'information essentielle de l'état pour la programmation du système et le traitement des exceptions.
; CPSR flag manipulation
cmp r0, r1 ; Compare r0 with r1, set condition flags
moveq r2, #1 ; Move 1 to r2 if equal (conditional execution)
movne r2, #0 ; Move 0 to r2 if not equal
; Direct CPSR access (privileged mode)
mrs r0, cpsr ; Read CPSR into r0
msr cpsr_f, r0 ; Write flags portion of CPSR
msr cpsr_c, r0 ; Write control portion of CPSR
; Condition code testing
tst r0, #0x80 ; Test bit 7 of r0
bne bit_set ; Branch if bit was set (not zero)
teq r1, r2 ; Test equivalence (XOR without storing result)
bne not_equal ; Branch if not equal
Les drapeaux de code de condition (Negative, Zero, Carry, Overflow) reflètent les résultats des opérations arithmétiques et logiques, permettant une exécution conditionnelle efficace sans instructions de comparaison explicites dans de nombreux cas. Les bits du mode processeur déterminent le niveau de privilège actuel et le jeu de registre disponible, tandis que les bits de contrôle affectent la manipulation et le comportement du processeur.
Architecture et codage des ensembles d'instructions
Format de l'instruction et exécution conditionnelle
Les instructions ARM utilisent un encodage fixe de 32 bits qui fournit une longueur d'instruction cohérente et des instructions simplifiées. Chaque instruction ARM comprend un champ de condition 4 bits qui permet l'exécution conditionnelle en fonction de l'état actuel des drapeaux du code de condition dans le PCSR. Cette capacité d'exécution conditionnelle est unique parmi les grandes architectures de processeurs et permet une génération de code très efficace pour les opérations conditionnelles.
; Conditional execution examples
cmp r0, #10 ; Compare r0 with 10
addgt r1, r1, #1 ; Add 1 to r1 if r0 > 10 (greater than)
suble r2, r2, #1 ; Subtract 1 from r2 if r0 <= 10 (less than or equal)
moveq r3, #0 ; Move 0 to r3 if r0 == 10 (equal)
; Complex conditional sequences
cmp r0, r1 ; Compare two registers
movlt r2, r0 ; r2 = min(r0, r1) - part 1
movge r2, r1 ; r2 = min(r0, r1) - part 2
movlt r3, r1 ; r3 = max(r0, r1) - part 1
movge r3, r0 ; r3 = max(r0, r1) - part 2
La capacité d'exécution conditionnelle élimine de nombreuses instructions de branche qui seraient nécessaires dans d'autres architectures, améliorant la densité du code et l'efficacité du pipeline. En évitant les succursales pour des opérations conditionnelles simples, le code ARM peut maintenir un meilleur débit d'instruction et réduire l'impact de performance des décrochages de pipelines.
Modes d'adressage et accès mémoire
ARM fournit des modes d'adressage sophistiqués qui permettent un accès efficace à diverses structures de données et à divers plans de mémoire. Les modes d'adressage comprennent l'adressage immédiat, l'adressage des registres et diverses formes d'adressage indexé qui soutiennent les tableaux, les structures et l'accès aux données par pointeur avec un minimum de frais généraux d'instruction.
; Immediate addressing
mov r0, #255 ; Load immediate value (8-bit value with rotation)
mov r1, #0x1000 ; Load immediate address
add r2, r3, #4 ; Add immediate offset
; Register addressing
mov r0, r1 ; Copy register contents
add r2, r3, r4 ; Add two registers
; Memory addressing modes
ldr r0, [r1] ; Load from address in r1
ldr r0, [r1, #4] ; Load from r1 + 4 (offset addressing)
ldr r0, [r1, r2] ; Load from r1 + r2 (register offset)
ldr r0, [r1, r2, lsl #2] ; Load from r1 + (r2 << 2) (scaled register)
; Pre-indexed and post-indexed addressing
ldr r0, [r1, #4]! ; Load from r1 + 4, then r1 = r1 + 4 (pre-indexed)
ldr r0, [r1], #4 ; Load from r1, then r1 = r1 + 4 (post-indexed)
Le mode d'adressage du registre à échelle permet un accès efficace au tableau en étalant automatiquement les valeurs d'indice par 1, 2, 4 ou 8 octets, correspondant aux tailles des types de données communs. Les modes d'adressage pré-indexés et post-indexés supportent la manipulation efficace des pointeurs et la traversée du tableau sans exiger des instructions de calcul d'adresse séparées.
Instructions pour le traitement des données
Les instructions de traitement des données ARM fournissent des capacités complètes de calcul, de logique et de manipulation des données. Ces instructions peuvent éventuellement mettre à jour les drapeaux de code d'état et prendre en charge divers types d'opérandes, y compris les valeurs immédiates, les registres et les registres déplacés. La conception orthogonale de l'ensemble d'instructions permet un fonctionnement cohérent entre différents types d'instructions.
; Arithmetic operations
add r0, r1, r2 ; Add r1 and r2, store in r0
adc r0, r1, r2 ; Add with carry
sub r0, r1, r2 ; Subtract r2 from r1
sbc r0, r1, r2 ; Subtract with carry
rsb r0, r1, r2 ; Reverse subtract (r2 - r1)
; Logical operations
and r0, r1, r2 ; Bitwise AND
orr r0, r1, r2 ; Bitwise OR
eor r0, r1, r2 ; Bitwise XOR (exclusive OR)
bic r0, r1, r2 ; Bit clear (r1 AND NOT r2)
mvn r0, r1 ; Move NOT (bitwise complement)
; Shift operations
lsl r0, r1, #2 ; Logical shift left by 2 bits
lsr r0, r1, #4 ; Logical shift right by 4 bits
asr r0, r1, #3 ; Arithmetic shift right by 3 bits
ror r0, r1, #8 ; Rotate right by 8 bits
rrx r0, r1 ; Rotate right through carry
Les opérations de décalage peuvent être combinées avec d'autres instructions de traitement des données dans le cadre de la spécification de fonctionnement, permettant des opérations complexes dans des instructions uniques. Cette capacité permet une mise en œuvre efficace des opérations mathématiques, des algorithmes de manipulation de bits et des modèles d'accès à la structure des données.
Flux de contrôle et structure du programme
Instructions de la Direction générale et déroulement du programme
ARM fournit diverses instructions de branche qui permettent la mise en œuvre de la logique conditionnelle, des boucles et des appels de fonction. Les instructions de la succursale comprennent des variantes conditionnelles et inconditionnelles, avec certaines instructions fournissant l'enregistrement automatique de l'adresse de retour pour l'implémentation des appels de fonction.
; Unconditional branches
b label ; Branch to label
bl function ; Branch with link (save return address)
bx r0 ; Branch and exchange (can switch instruction sets)
blx r1 ; Branch with link and exchange
; Conditional branches
beq equal_label ; Branch if equal (Z flag set)
bne not_equal ; Branch if not equal (Z flag clear)
blt less_than ; Branch if less than (signed)
bgt greater_than ; Branch if greater than (signed)
blo below ; Branch if below (unsigned)
bhi above ; Branch if above (unsigned)
; Compare and branch patterns
cmp r0, #10 ; Compare r0 with 10
bge end_loop ; Branch if greater than or equal
add r1, r1, r0 ; Loop body
add r0, r0, #1 ; Increment counter
b loop_start ; Continue loop
end_loop:
L'instruction de branche et d'échange (BX) permet la commutation entre les ensembles d'instructions ARM et Thumb, offrant une flexibilité pour la programmation en mode mixte et l'interopérabilité entre différentes sections de code. L'enregistrement automatique de l'adresse de retour dans les instructions branche-avec-lien simplifie l'implémentation des appels de fonction et réduit les frais de manipulation de la pile.
Constructions de boucles et itération
L'assemblage ARM permet une mise en œuvre efficace des boucles par diverses combinaisons d'instructions et modes d'adressage. Bien que ARM ne dispose pas d'instructions de boucle dédiées comme certaines architectures, la combinaison de l'exécution conditionnelle, des modes d'adressage flexibles et des instructions de branche efficaces permet des constructions de boucle hautement optimisées.
; Simple counting loop
mov r0, #10 ; Initialize counter
loop_start:
; Loop body instructions
subs r0, r0, #1 ; Decrement counter and set flags
bne loop_start ; Continue if not zero
; Array processing loop
mov r0, #array_base ; Array base address
mov r1, #0 ; Index
mov r2, #array_size ; Array size
process_loop:
ldr r3, [r0, r1, lsl #2] ; Load array[index] (4-byte elements)
; Process element in r3
add r1, r1, #1 ; Increment index
cmp r1, r2 ; Compare with size
blt process_loop ; Continue if index < size
; Post-indexed addressing loop
mov r0, #array_base ; Array pointer
mov r1, #array_end ; End address
copy_loop:
ldr r2, [r0], #4 ; Load and increment pointer
str r2, [r3], #4 ; Store and increment destination
cmp r0, r1 ; Check for end
blt copy_loop ; Continue if not at end
Les modes d'adressage post-indexés permettent des boucles efficaces basées sur des pointeurs où le calcul de l'adresse et l'accès à la mémoire se produisent dans des instructions uniques. Cette capacité réduit le nombre d'instructions et améliore les performances pour le traitement de tableau et les opérations de copie mémoire.
Fonction Appels et gestion des piles
Les appels de fonction ARM utilisent le registre des liens (LR) pour le stockage des adresses de retour et suivent les conventions d'appel établies pour le passage des paramètres et la conservation des registres. La norme d'appel de procédure d'architecture ARM (AAPCS) définit des interfaces cohérentes qui permettent l'interopérabilité entre les fonctions de langage de montage et le code de langage de haut niveau.
; Function call sequence
mov r0, #param1 ; First parameter in r0
mov r1, #param2 ; Second parameter in r1
mov r2, #param3 ; Third parameter in r2
mov r3, #param4 ; Fourth parameter in r3
; Additional parameters go on stack
bl function_name ; Call function
; Function prologue
function_name:
push \\\\{r4-r11, lr\\\\} ; Save callee-saved registers and return address
sub sp, sp, #16 ; Allocate local variable space
; Function body
add r0, r0, r1 ; Use parameters
str r0, [sp, #0] ; Store local variable
; Function epilogue
add sp, sp, #16 ; Deallocate local variables
pop \\\\{r4-r11, pc\\\\} ; Restore registers and return
; Leaf function (no function calls)
leaf_function:
add r0, r0, r1 ; Simple operation
bx lr ; Return directly
La convention d'appel spécifie que les registres R0-R3 passent les quatre premiers paramètres, avec des paramètres supplémentaires transmis sur la pile. Les registres R4-R11 sont enregistrés par appel et doivent être conservés dans les appels de fonctions, tandis que R0-R3 et R12 sont enregistrés par appel et peuvent être modifiés par appel de fonctions.
Gestion de la mémoire et programmation du système
Architecture de mémoire et espaces d'adresse
Les processeurs ARM mettent en œuvre des capacités sophistiquées de gestion de la mémoire, y compris la mémoire virtuelle, la protection de la mémoire et la gestion du cache. L'unité de gestion de la mémoire (UMM) fournit la traduction d'adresses, le contrôle d'accès et la gestion des attributs de mémoire qui permettent des systèmes d'exploitation sécurisés multitâches et une utilisation efficace de la mémoire.
; Memory management operations (privileged mode)
mcr p15, 0, r0, c2, c0, 0 ; Write Translation Table Base Register
mcr p15, 0, r1, c3, c0, 0 ; Write Domain Access Control Register
mcr p15, 0, r2, c1, c0, 0 ; Write Control Register (enable MMU)
; Cache management
mcr p15, 0, r0, c7, c5, 0 ; Invalidate entire instruction cache
mcr p15, 0, r1, c7, c6, 0 ; Invalidate entire data cache
mcr p15, 0, r2, c7, c10, 4 ; Data Synchronization Barrier
; TLB management
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 ; Invalidate entire TLB
mcr p15, 0, r1, c8, c6, 1 ; Invalidate TLB entry by MVA
L'interface coprocesseur (CP15) donne accès aux registres de contrôle système qui gèrent la cartographie de mémoire, le comportement du cache et la configuration du processeur. La compréhension de ces interfaces est essentielle au développement de systèmes d'exploitation et à la programmation de systèmes de faible niveau sur les plateformes de MRA.
Manipulation des exceptions et interruptions
Les processeurs ARM offrent des capacités de traitement d'exception complètes, y compris les interruptions, les interruptions de données, les interruptions de préfet et les interruptions de logiciels. Le mécanisme de manipulation d'exception permet d'enregistrer automatiquement l'état du processeur et les vecteurs à des routines de manipulation appropriées, ce qui permet une mise en œuvre robuste du logiciel système.
; Exception vector table (located at 0x00000000 or 0xFFFF0000)
reset_vector: b reset_handler
undefined_vector: b undefined_handler
swi_vector: b swi_handler
prefetch_vector: b prefetch_handler
data_abort_vector: b data_abort_handler
reserved_vector: nop
irq_vector: b irq_handler
fiq_vector: b fiq_handler
; Interrupt service routine structure
irq_handler:
sub lr, lr, #4 ; Adjust return address
push \\\\{r0-r3, r12, lr\\\\} ; Save registers
; Identify and handle interrupt source
ldr r0, =interrupt_controller
ldr r1, [r0, #status_offset]
; Process interrupt
pop \\\\{r0-r3, r12, lr\\\\} ; Restore registers
movs pc, lr ; Return from interrupt
Le traitement des exceptions exige une attention particulière aux changements de mode de processeur, à l'enregistrement bancaire et au rajustement de l'adresse de retour. L'architecture ARM fournit des banques de registres distinctes pour différents modes de processeur, permettant un changement de contexte efficace sans sauvegarde explicite des registres dans de nombreux cas.
Interface coprocesseur et contrôle du système
Les processeurs ARM prennent en charge les interfaces de coprocesseur qui permettent l'extension de l'ensemble d'instructions et l'intégration d'unités de traitement spécialisées. Le coprocesseur le plus couramment utilisé est le CP15, qui donne accès aux registres de contrôle et de configuration du système.
; Coprocessor register access
mrc p15, 0, r0, c0, c0, 0 ; Read Main ID Register
mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0 ; Read Control Register
mcr p15, 0, r2, c1, c0, 0 ; Write Control Register
; Performance monitoring
mrc p15, 0, r0, c9, c12, 0 ; Read Performance Monitor Control Register
mcr p15, 0, r1, c9, c12, 1 ; Write Performance Counter Enable Set
mrc p15, 0, r2, c9, c13, 0 ; Read Cycle Count Register
; Debug and trace support
mrc p14, 0, r0, c0, c0, 0 ; Read Debug ID Register
mcr p14, 0, r1, c0, c2, 2 ; Write Debug Control Register
Les instructions de coprocesseur permettent d'accéder à des fonctionnalités spécialisées, y compris les opérations en point flottant, le traitement SIMD et les fonctions de gestion du système. L'interface coprocesseur fournit un mécanisme normalisé pour étendre les capacités de MRA tout en maintenant la compatibilité des ensembles d'instructions.
Techniques de programmation avancées
NEON SIMD Programmation
La technologie ARM NEON fournit des capacités avancées de SIMD (Single Instruction, Multiple Data) qui permettent le traitement parallèle de plusieurs éléments de données dans des instructions uniques. NEON prend en charge différents types de données, dont des entiers 8 bits, 16 bits, 32 bits et 64 bits, ainsi que des valeurs de point flottant de précision unique.
; NEON register usage
vld1.32 \\\\{d0, d1\\\\}, [r0]! ; Load 8 32-bit values, post-increment
vadd.i32 q0, q0, q1 ; Add 4 32-bit integers in parallel
vmul.f32 q2, q0, q1 ; Multiply 4 single-precision floats
vst1.32 \\\\{d4, d5\\\\}, [r1]! ; Store 8 32-bit values, post-increment
; Vector operations
vmov.i32 q0, #0 ; Initialize vector to zero
vdup.32 q1, r0 ; Duplicate scalar to all vector elements
vmax.s32 q2, q0, q1 ; Element-wise maximum
vmin.u16 d0, d1, d2 ; Element-wise minimum (unsigned 16-bit)
; Advanced NEON operations
vtbl.8 d0, \\\\{d1, d2\\\\}, d3 ; Table lookup
vzip.16 q0, q1 ; Interleave elements
vuzp.32 q2, q3 ; De-interleave elements
vrev64.8 q0, q1 ; Reverse elements within 64-bit lanes
La programmation NEON exige une compréhension des types de données vectorielles, des opérations de voie et des exigences d'alignement de mémoire. L'utilisation efficace des instructions NEON peut apporter d'importantes améliorations aux performances du traitement multimédia, du traitement des signaux et des calculs mathématiques.
Jeu de règles
Le jeu d'instructions Thumb fournit des instructions 16 bits qui améliorent la densité du code tout en maintenant la plupart des fonctionnalités ARM. Les instructions de pouce peuvent réduire la taille du code de 30-40% par rapport aux instructions ARM, ce qui les rend utiles pour les applications à mémoire restreinte.
; Thumb instruction examples (syntax similar to ARM)
.thumb ; Switch to Thumb mode
mov r0, #10 ; 16-bit instruction
add r1, r0, r2 ; 16-bit instruction
ldr r3, [r4, #8] ; 16-bit instruction with limited offset
bl function_name ; 32-bit Thumb instruction
; Mixed ARM/Thumb programming
.arm ; ARM mode
bx r0 ; Branch and exchange to address in r0
; (can switch to Thumb if bit 0 set)
.thumb
add r1, r1, #1 ; Thumb instruction
bx lr ; Return (may switch back to ARM)
La technologie Thumb-2 étend l'ensemble d'instructions Thumb avec des instructions 32 bits qui fournissent une fonctionnalité équivalente à ARM tout en maintenant les avantages de densité de code. La possibilité de mélanger le code ARM et le code Thumb permet d'optimiser les performances et la taille du code.
Techniques d'optimisation et performance
L'optimisation de l'assemblage ARM nécessite une compréhension des caractéristiques du pipeline du processeur, du comportement de la hiérarchie de la mémoire et de l'horaire des instructions. Les processeurs ARM modernes utilisent des moteurs d'exécution hors-commande sophistiqués, mais une sélection minutieuse des instructions et la mise en page des données peuvent encore fournir des avantages de performance importants.
; Loop optimization techniques
; Unrolled loop for better throughput
mov r0, #array_base
mov r1, #count
unrolled_loop:
ldr r2, [r0], #4 ; Load element 1
ldr r3, [r0], #4 ; Load element 2
ldr r4, [r0], #4 ; Load element 3
ldr r5, [r0], #4 ; Load element 4
; Process 4 elements
subs r1, r1, #4 ; Decrement counter by 4
bgt unrolled_loop ; Continue if more elements
; Conditional execution for branch elimination
cmp r0, r1
movlt r2, r0 ; r2 = min(r0, r1)
movge r2, r1
movlt r3, r1 ; r3 = max(r0, r1)
movge r3, r0
; Efficient bit manipulation
and r0, r1, #0xFF ; Extract low byte
orr r0, r0, r2, lsl #8 ; Insert byte at position
bic r0, r0, #0xF0 ; Clear specific bits
L'optimisation des performances sur ARM nécessite un comptage d'instructions d'équilibrage, des modèles d'accès à la mémoire et l'efficacité du pipeline. La capacité d'exécution conditionnelle peut éliminer les branches et améliorer le débit d'instruction, tandis que l'utilisation prudente des modes d'adressage peut réduire le nombre d'instructions et améliorer l'utilisation du cache.
Le langage d'assemblage ARM fournit une base puissante et efficace pour la programmation de systèmes embarqués, le développement d'applications mobiles et la mise en œuvre de logiciels au niveau du système. Sa philosophie de conception du RISC, ses capacités d'exécution conditionnelle et son ensemble complet d'instructions permettent aux développeurs de créer des applications performantes et économes en énergie sur une large gamme de plateformes informatiques. La maîtrise de la programmation d'assemblage ARM ouvre des possibilités de développement de systèmes embarqués, d'optimisation des plateformes mobiles, de recherche sur la sécurité et de programmation de systèmes qui nécessitent un contrôle matériel direct et une utilisation optimale des ressources. L'évolution continue de l'architecture et son adoption généralisée garantissent sa pertinence pour les défis informatiques futurs tout en maintenant la simplicité et l'efficacité qui ont fait d'ARM la plateforme dominante pour l'informatique mobile et intégrée.