ARM Assembly Language (32-bit)

Traduzione: Copia tutti i comandi Traduzione: Generare PDF < > Il linguaggio di assemblaggio ARM rappresenta una delle architetture di processori più influenti e ampiamente sfruttate nel moderno calcolo, alimentando miliardi di dispositivi da smartphone e tablet a sistemi incorporati e sempre più, infrastruttura server. Come un'architettura ridotta Computer (RISC), l'assemblaggio ARM fornisce un set di istruzioni pulito, efficiente e ottimizzato per la potenza che ha rivoluzionato il mobile computing e lo sviluppo di sistemi incorporati. L'enfasi dell'architettura ARM sulla semplicità, l'efficienza energetica e la scalabilità lo ha reso la piattaforma dominante per i dispositivi alimentati a batteria mantenendo le capacità di prestazione richieste per applicazioni complesse. La comprensione del linguaggio di assemblaggio ARM è essenziale per i programmatori di sistemi incorporati, sviluppatori di applicazioni mobili, ricercatori di sicurezza che lavorano con dispositivi basati su ARM, e chiunque cerchi di ottimizzare le prestazioni sui processori ARM. Questo riferimento completo fornisce una copertura dettagliata della programmazione dell'assemblaggio ARM, dai principi fondamentali RISC e registri l'architettura a argomenti avanzati, tra cui l'esecuzione condizionale, la programmazione NEON SIMD e lo sviluppo a livello di sistema che permettono agli sviluppatori di sfruttare tutte le capacità dei processori ARM. ## Architettura Panoramica e filosofia RISC ### Contesto storico ed evoluzione del design L'architettura ARM traccia le sue origini ai computer Acorn negli anni '80, dove è stata originariamente sviluppata come Acorn RISC Machine prima di evolversi nell'architettura Advanced RISC Machine che avrebbe infine dominato il mobile computing. La filosofia progettuale dell'architettura si è concentrata sui principi RISC della semplicità, dell'efficienza e delle prestazioni attraverso una ridotta complessità delle istruzioni piuttosto che la ricchezza delle istruzioni. Questo approccio contrasta nettamente con la filosofia Complex Education Set Computer (CISC) esemplificata da processori x86, sottolineando invece una serie più piccola di istruzioni altamente ottimizzate che potrebbero eseguire efficacemente in semplici implementazioni hardware. L'evoluzione dell'architettura ARM attraverso più generazioni ha mantenuto costantemente la compatibilità all'indietro, introducendo miglioramenti che rispondono ai requisiti di calcolo emergenti. Dal processore ARM1 originale attraverso l'architettura ARMv7-A ampiamente diffusa, ogni generazione ha affinato il set di istruzioni, migliorato le caratteristiche delle prestazioni e aggiunto le caratteristiche specializzate per domini applicativi specifici. Il design modulare dell'architettura consente implementazioni che vanno dai microcontroller ultra-bassi a processori applicativi ad alte prestazioni, dimostrando la scalabilità inerente all'approccio RISC. ### Principi e attuazione del progetto RISC Il linguaggio di montaggio ARM incarna i principi fondamentali RISC attraverso il suo set di istruzioni design, l'architettura dei registri e il modello di esecuzione. L'architettura impiega un modello di load-store in cui l'accesso alla memoria avviene solo attraverso istruzioni dedicate al carico e al deposito, mentre tutte le operazioni computazionali funzionano esclusivamente con gli operandi dei registri. Questa separazione semplifica la progettazione del processore, consente un efficiente pipelining, e fornisce caratteristiche di performance prevedibili che facilitano l'ottimizzazione dei compilatori e lo sviluppo del sistema in tempo reale. Traduzione: Il set di istruzioni ARM consiste di circa 100 istruzioni, significativamente meno di architetture CISC, ma fornisce funzionalità computazionali complete attraverso il design di istruzioni ortogonali. Ogni istruzione può tipicamente essere combinata con varie modalità di indirizzamento, codici di stato e tipi di operando, creando un ambiente di programmazione ricco nonostante il conteggio di istruzioni relativamente piccolo. Questa ortogonalità consente una generazione efficiente del codice e semplifica la programmazione del linguaggio di assemblaggio fornendo modelli coerenti tra diversi tipi di istruzione. ### Modalità di processore e livelli di privilegi I processori ARM operano in modalità multiple che forniscono diversi livelli di privilegi e diritti di accesso, consentendo la progettazione sicura del sistema e la gestione efficiente delle eccezioni. Le modalità del processore includono la modalità utente per il codice di applicazione, varie modalità privilegiate per il software di sistema e i gestori delle eccezioni, e modalità specializzate per l'elaborazione e la gestione del sistema interrotti. La comprensione di queste modalità è fondamentale per la programmazione a livello di sistema e l'implementazione della sicurezza sulle piattaforme ARM. Traduzione: Il modello di privilegi consente ai sistemi operativi di proteggere le risorse di sistema, fornendo un accesso controllato alle funzionalità hardware. Le applicazioni della modalità utente vengono eseguite con privilegi limitati, mentre il codice del kernel e i driver del dispositivo operano in modalità privilegiate con accesso completo all'hardware. Questa separazione costituisce la base per la progettazione sicura del sistema e consente robusti sistemi operativi multi-tasking sulle piattaforme ARM. ## Registrare Architettura e Organizzazione ### Registrazione generale Set L'architettura ARM fornisce sedici registri generici a 32 bit (R0-R15) che servono come storage primario per il calcolo del calcolo e dell'indirizzo. A differenza di architetture con funzioni di registro specializzate, i registri ARM sono in gran parte ortogonali, il che significa che la maggior parte dei registri possono essere utilizzati in modo intercambiabile per scopi diversi. Tuttavia, alcuni registri hanno usi convenzionali e alcuni hanno comportamenti hardware speciali che influenzano le pratiche di programmazione e le convenzioni di chiamata. Traduzione: Il design ortogonale del set del registro consente approcci di programmazione flessibili e una generazione efficiente del codice compilatore. La maggior parte delle operazioni di movimento aritmetico, logico e dati può utilizzare qualsiasi registro come fonte o destinazione, fornendo la massima flessibilità per l'allocazione e l'ottimizzazione dei registri. Questa flessibilità contrasta con architetture che hanno registri specializzati per operazioni specifiche, consentendo un uso più efficiente delle risorse di registro disponibili. ### Registrazioni speciali Mentre la maggior parte dei registri ARM sono generali, i registri R13, R14 e R15 hanno comportamenti hardware speciali e usi convenzionali che sono cruciali per una corretta programmazione ARM. R13 serve come Stack Pointer (SP), R14 funzioni come Link Register (LR) per le chiamate di funzione, e R15 opera come Program Counter (PC) con comportamenti di indirizzamento speciali. Traduzione: Il Link Register (LR) riceve automaticamente l'indirizzo di ritorno quando vengono eseguite le istruzioni branch-with-link, consentendo l'implementazione efficiente delle chiamate di funzione senza manipolazioni stack per semplici funzioni. Il comportamento di Program Counter riflette l'architettura di pipeline di ARM, dove PC legge restituire l'indirizzo dell'istruzione corrente più 8 byte, la contabilità per le fasi di istruzione fetch pipeline. ### Registrazione dello stato del programma attuale (CPSR) Il registro di stato del programma corrente (CPSR) contiene informazioni di stato del processore, comprese le bandiere di codice di stato, bit di modalità del processore e bandiere di controllo che influiscono sull'esecuzione delle istruzioni. Il CPSR abilita la capacità di esecuzione condizionale unica di ARM e fornisce informazioni di stato essenziali per la programmazione del sistema e la gestione delle eccezioni. Traduzione: Le bandiere del codice di condizione (Negative, Zero, Carry, Overflow) riflettono i risultati delle operazioni aritmetiche e logiche, consentendo un'esecuzione condizionale efficiente senza istruzioni di confronto esplicite in molti casi. I bit della modalità del processore determinano il livello di privilegio corrente e il set di registro disponibile, mentre i bit di controllo influiscono sulla gestione interrotta e sul comportamento del processore. ## Istruzione Set Architettura e codifica ### Formato dell'istruzione e esecuzione condizionale Le istruzioni ARM usano una codifica a 32 bit fissa che fornisce una lunghezza d'istruzione costante e un'istruzione semplificata. Ogni istruzione ARM include un campo di condizione a 4 bit che consente l'esecuzione condizionale in base allo stato attuale delle bandiere di codice di condizione nel CPSR. Questa capacità di esecuzione condizionale è unica tra le principali architetture di processore e consente una generazione di codice altamente efficiente per operazioni condizionali. Traduzione: La capacità di esecuzione condizionale elimina molte istruzioni di ramo che sarebbero necessarie in altre architetture, migliorando la densità di codice e l'efficienza delle tubazioni. Evitando i rami per semplici operazioni condizionali, il codice ARM può mantenere una migliore produttività delle istruzioni e ridurre l'impatto delle prestazioni delle bancarelle delle tubazioni. ### Modalità di indirizzo e accesso alla memoria ARM fornisce sofisticate modalità di indirizzamento che consentono un accesso efficiente a varie strutture di dati e layout di memoria. Le modalità di indirizzamento includono l'indirizzamento immediato, l'indirizzamento dei registri e varie forme di indirizzamento indicizzato che supportano array, strutture e l'accesso dei dati a base di punta con istruzione minima in testa. Traduzione: La modalità di indirizzamento del registro scalata consente l'accesso efficiente dell'array tramite valori di indice di scala automaticamente di 1, 2, 4 o 8 byte, corrispondenti alle dimensioni dei tipi di dati comuni. Le modalità di indirizzamento pre-indicizzate e post-indicizzate supportano la manipolazione efficiente del puntatore e il traversale dell'array senza richiedere istruzioni di calcolo dell'indirizzo separate. ### Istruzioni per il trattamento dei dati Le istruzioni di elaborazione dei dati ARM forniscono funzionalità complete di aritmetica, logica e di manipolazione dei dati. Queste istruzioni possono aggiornare facoltativamente le bandiere di codice di condizione e sostenere vari tipi di operandi, compresi i valori immediati, i registri e i registri spostati. Il design ortogonale del set di istruzioni consente un funzionamento coerente tra diversi tipi di istruzione. Traduzione: Le operazioni di spostamento possono essere combinate con altre istruzioni di elaborazione dei dati nell'ambito delle specifiche dell'operando, consentendo operazioni complesse in singole istruzioni. Questa capacità supporta l'implementazione efficiente delle operazioni matematiche, algoritmi di manipolazione dei bit e modelli di accesso della struttura dei dati. ## Control Flow and Program Structure ### Istruzioni e flusso di programma ARM fornisce varie istruzioni di ramo che permettono l'implementazione di logica condizionale, loop e chiamate di funzione. Le istruzioni del ramo includono varianti condizionali e incondizionate, con alcune istruzioni che forniscono il salvataggio automatico dell'indirizzo di ritorno per l'implementazione delle chiamate di funzione. Traduzione: L'istruzione del ramo e dello scambio (BX) consente di passare tra i set di istruzioni ARM e Thumb, fornendo flessibilità per la programmazione e l'interoperabilità dei movimenti misti tra diverse sezioni di codice. Il salvataggio automatico dell'indirizzo di ritorno nelle istruzioni branch-with-link semplifica l'implementazione della chiamata di funzione e riduce la manipolazione sovraccarica. ### Costruzioni e Iterazione del Loop L'assemblaggio ARM supporta l'implementazione efficiente del loop attraverso varie combinazioni di istruzioni e modalità di indirizzamento. Mentre ARM manca istruzioni loop dedicate come alcune architetture, la combinazione di esecuzione condizionale, modalità di indirizzamento flessibile, e istruzioni ramificate efficienti consente costrutti loop altamente ottimizzati. Traduzione: Le modalità di indirizzamento post-indicizzate consentono un efficiente loop basato sul puntatore in cui il calcolo dell'indirizzo e l'accesso alla memoria si verificano in singole istruzioni. Questa capacità riduce il conteggio delle istruzioni e migliora le prestazioni per l'elaborazione di array e le operazioni di copia della memoria. ### Chiamate di funzione e gestione dello stack Le chiamate della funzione ARM utilizzano il registro di collegamento (LR) per la memorizzazione dell'indirizzo di ritorno e seguono le convenzioni di chiamata stabilite per il passaggio dei parametri e la conservazione del registro. L'ARM Architecture Procedura Call Standard (AAPCS) definisce interfacce coerenti che permettono l'interoperabilità tra funzioni di linguaggio di assemblaggio e codice di lingua di alto livello. Traduzione: La convenzione di chiamata specifica che i registri R0-R3 passano i primi quattro parametri, con parametri aggiuntivi passati sullo stack. I registri R4-R11 sono in attesa di callee e devono essere conservati attraverso le chiamate di funzione, mentre R0-R3 e R12 sono in attesa di chiamata e possono essere modificati con le funzioni chiamate. ## Gestione della memoria e programmazione del sistema ### Architettura della memoria e spazi di indirizzo I processori ARM implementano funzionalità di gestione della memoria sofisticate, tra cui memoria virtuale, protezione della memoria e gestione della cache. L'unità di gestione della memoria (MMU) fornisce la traduzione dell'indirizzo, il controllo dell'accesso e la gestione dell'attributo della memoria che consentono sistemi operativi multi-tasking sicuri e l'utilizzo efficiente della memoria. Traduzione: L'interfaccia coprocessore (CP15) fornisce l'accesso ai registri di controllo del sistema che gestiscono la mappatura della memoria, il comportamento della cache e la configurazione del processore. La comprensione di queste interfacce è essenziale per lo sviluppo del sistema operativo e la programmazione di sistema a basso livello sulle piattaforme ARM. ### Eccezione Gestione e Interruzioni I processori ARM forniscono funzionalità complete di gestione delle eccezioni tra cui interrotti, interruzioni dei dati, aborti prefetch e interruzioni del software. Il meccanismo di gestione delle eccezioni salva automaticamente lo stato del processore e i vettori ad appropriate routine del manubrio, consentendo l'implementazione di software di sistema robusto. # La gestione delle eccezioni richiede un'attenta attenzione ai cambiamenti della modalità del processore, al registro bancario e alla regolazione dell'indirizzo di ritorno. L'architettura ARM fornisce banche di registro separate per diverse modalità di processore, consentendo una commutazione efficiente del contesto senza un esplicito risparmio di registro in molti casi. ### Interfaccia di Coprocessor e Controllo di Sistema I processori ARM supportano le interfacce di coprocessore che consentono l'estensione del set di istruzioni e l'integrazione di unità di elaborazione specializzate. Il coprocessore più comunemente usato è CP15, che fornisce l'accesso ai registri di controllo e configurazione del sistema. Traduzione: Le istruzioni di Coprocessor consentono l'accesso a funzionalità specializzate, tra cui operazioni a punto variabile, elaborazione SIMD e funzionalità di gestione del sistema. L'interfaccia di coprocessore fornisce un meccanismo standardizzato per estendere le capacità di ARM mantenendo la compatibilità di set di istruzioni. ## Tecniche di programmazione avanzate ### NEON SIMD Programmazione La tecnologia ARM NEON fornisce funzionalità SIMD avanzate (Single Istruzione, Dati multipli) che consentono l'elaborazione parallela di più elementi di dati in singole istruzioni. NEON supporta vari tipi di dati tra cui 8-bit, 16-bit, 32-bit, e 64-bit integers, così come i valori di punto galleggiante a singola precisione. Traduzione: La programmazione NEON richiede la comprensione dei tipi di dati vettoriali, delle operazioni di corsia e dei requisiti di allineamento della memoria. L'uso efficace delle istruzioni NEON può fornire miglioramenti significativi delle prestazioni per l'elaborazione multimediale, l'elaborazione dei segnali e calcoli matematici. ### Set di istruzioni Thumb Il set di istruzioni Thumb fornisce istruzioni a 16 bit che migliorano la densità di codice mantenendo la maggior parte delle funzionalità ARM. Le istruzioni Thumb possono ridurre le dimensioni del codice del 30-40% rispetto alle istruzioni ARM, rendendole preziose per le applicazioni basate sulla memoria. Traduzione: La tecnologia Thumb-2 estende il set di istruzioni Thumb con istruzioni a 32 bit che forniscono funzionalità ARM-equivalente mantenendo i vantaggi della densità di codice. La capacità di mescolare il codice ARM e Thumb consente l'ottimizzazione sia per le prestazioni che per le dimensioni del codice. ### Tecniche di ottimizzazione e prestazioni L'ottimizzazione dell'assemblaggio ARM richiede la comprensione delle caratteristiche del processore pipeline, del comportamento della gerarchia della memoria e delle considerazioni di pianificazione delle istruzioni. I moderni processori ARM impiegano sofisticati motori di esecuzione out-of-order, ma la selezione accurata delle istruzioni e il layout dei dati possono ancora fornire benefici significativi delle prestazioni. Traduzione: L'ottimizzazione delle prestazioni su ARM richiede il conteggio delle istruzioni di bilanciamento, i modelli di accesso alla memoria e l'efficienza delle tubazioni. La capacità di esecuzione condizionale può eliminare i rami e migliorare il throughput delle istruzioni, mentre l'uso attento delle modalità di indirizzamento può ridurre il conteggio delle istruzioni e migliorare l'utilizzo della cache. Il linguaggio di assemblaggio ARM fornisce una base potente ed efficiente per la programmazione di sistemi incorporati, lo sviluppo di applicazioni mobili e l'implementazione di software a livello di sistema. La sua filosofia di progettazione RISC, le capacità di esecuzione condizionale e il set di istruzioni completo consentono agli sviluppatori di creare applicazioni ad alte prestazioni e ad alta efficienza energetica in una vasta gamma di piattaforme di calcolo. Mastery di programmazione di montaggio ARM apre opportunità per lo sviluppo di sistemi incorporati, ottimizzazione della piattaforma mobile, ricerca di sicurezza e programmazione di sistema che richiedono il controllo diretto dell'hardware e l'utilizzo ottimale delle risorse. L'evoluzione continua dell'architettura e l'adozione diffusa assicurano la sua rilevanza per le future sfide di calcolo, mantenendo la semplicità e l'efficienza che hanno reso ARM la piattaforma dominante per il calcolo mobile e integrato.