[H/W] [MCU] [펌] ARM 한글 매뉴얼

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ARM7 강좌 [1] : 강좌 소개

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● 강좌 소개

RISC칩 중에 가장 널리 사용되고 있는 것의 하나인 ARM7에 대하여 다루어 보려고 합니다. 부족한 점이 많겠지만, 이 강좌를 통해 ARM7을 공부하시는 분들에게 조금이나마 도움이 되었으면 하고, 아울러 저 역시 어떤 보람을 얻을 수 있었으면 합니다.

● 강좌에서 다루고자 하는 내용들

- 개요

- 구조

- 레지스터

- Exception(1)

- Exception(2)

- Instruction Set(1)

- Instruction Set(2)

- Instruction Set(3)

- StrongARM

사실 ARM 아키텍처의 경우엔 관련 문서가 아주 잘 만들어져 있습니다. www.arm.com 사이트에 들어가면 해당 문서를 PDF형태로 받아 볼 수 있고 내용도 아주 잘 정리되어 있습니다. 강좌를 통해 어느 정도 기본을 익히고 해당 자료를 찾아 공부하신다면, 빠른 시일 내에 ARM을 익힐 수 있으리라 생각됩니다.

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ARM7 강좌 [2] : 개요

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● ARM7의 특징

ARM의 가장 큰 특징은 전력을 조금만 소모한다는 것입니다. 일설에 의하면, ARM을 설계할 때, 요즘 CPU를 설계하는 방법처럼 VHDL등을 사용한 것이 아니라 일일이 회로를 그려가면서 했다는 설도 있습니다. 사실이야 어떻든, ARM의 저-전력 설계기술은 널리 알려진 사실입니다. 이런 이유 때문에, ARM CPU는 상대적으로 전력이 중요하게 여겨지는 휴대용 단말기에 많이 채택되고 있습니다.

이제 이런 일반적인 내용말고, 좀 구체적인 내용으로 들어가 보겠습니다. 다음은 ARM7의 특징들입니다.

1. 32 Bit RISC 프로세서

: ARM7은 내부적으로 32Bit의 데이터 버스와 32Bit의 어드레스 버스를 제공합니다. 내부적이란 말은, ARM7이 Core 형태로 여러 종류의 칩에 탑재되기 때문인데, 어떤 칩은 어드레스 라인을 내부적으로는 32비트를 사용하고 외부적으로는 메모리 매니지먼트 유닛을 통해 24비트를 사용하기도 합니다. 그리고 잘 알려져 있듯이 ARM은 대표적인 RISC 코어입니다.

2. Big/Little Endian 모드지원

: 엔디안이라는 것은, 흔히 역-워드 방식이라고 말하는 것과 관련이 있습니다. 인텔 계열의 CPU에서는 메모리에 여러 바이트의 내용을 저장 할 때, 하위 바이트가 먼저 오고 상위 바이트일 수록 뒤에 오는데, 이런 형태를 Little Endian이라고 합니다. 또 모토롤라 계열의 CPU처럼 가장 상위 바이트가 먼저 오는 방식이 Big Endian입니다. 해당 설정은 ARM7이 구현된 칩에 따라 틀리지만, 보통 칩 외부에서 핀 입력을 받아 결정됩니다.

3. High Performance RISC

: ARM7 의 경우 3V를 사용하고 25MHz의 Clock을 사용할 때 약 17MIPS가 나온다고 합니다.

4. Fast Interrupt Response

: 인터럽트 처리를 빠르게 해 줄 수 있는 FAST인터럽트 기능이 있습니다. 후에 레지스터 부분에서 자세히 다루겠지만, 레지스터 셋을 따로 제공해서, 인터럽트 처리루틴에서 레지스터를 저장, 복구하는 시간을 줄이는 방식입니다.

5. Excellent high level language support

: 인스트럭션 셋을 살피면, C나 다른 언어에서 일반적으로 사용하는 기능들을 바로 구현할 수 있는 명령어들이 제공됩니다. 예를 들어 변수의 앞, 뒤에 ++나 --를 붙이는 형식의 오퍼레이션을 제공합니다.

6. Simple & Powerful Instruction Set

: ARM의 명령어는 그 종류가 적으면서도, 다양하게 적용시킬 수 있는 특징이 있습니다. 이후에 다루게 되면 여러분들도 느끼시겠지만, 배우기 쉽고, 또 강력한 기능을 제공합니다.

오늘은 ARM7의 전반적인 내용에 대해 간단히 언급했습니다. 사실 ARM을 개인적으로 사용하기는 쉽지 않은 일입니다. 왜냐하면, ARM을 사용한 칩을 구하기가 쉽지 않기 때문인데요, 최근 CPU인 만큼, 나오더라도 SMD타입으로 나오는 것이 많고 소량으로 구매하기가 쉽지가 않습니다.

하지만, 여러분들이 회사에서 일을 하게 되면, 사정이 달라집니다. ARM은 비교적 저렴하면서도 가격에 비해 좋은 성능을 보이고, 게다가 저-전력 소모라는 강력한 장점을 가지고 있기 때문입니다. 국내 반도체 업계에서도 LG, 삼성, 현대 등, 모두 ARM 코어를 사용한 칩을 생산하고 있습니다. 그리고, ARM을 사용할 때의 장점중의 하나는, ARM사에서 개발환경과 도큐먼트 등을 제공한다는 것입니다.

내용은 되도록 쉽게 쓰려고 노력했는데, 어땠는지 모르겠군요. 그러면 다음 강좌에서 뵙겠습니다. 다음 강좌에서는 ARM7의 블록 구조에 대해서 살펴볼 생각입니다.

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ARM7 강좌 [3] : ARM7의 구조

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● ARM7의 구조

1. 레지스터

: ARM7에는 31개의 32Bit 레지스터가 있습니다. 또, 동작모드에 따르는 -여기서 동작모드는 Exception부분에서 자세히 다루겠습니다.- 6개의 Status 레지스터가 있습니다.

2. ALU

: 32Bit 연산이 가능한 ALU가 제공됩니다. 그런데 특이한 것은 ALU의 한쪽 입력은 Barrel Shifter라는 것이 연결되어 있어서 ALU의 인수 하나는 레지스터에서 바로 들어오고, 다른 하나는 레지스터나 버스에서 Barrel Shifter라는 것을 거쳐 입력되도록 되어 있습니다. 이런 이유로 ARM7에서는 제 2 오퍼랜드를 지정할 때, 해당 값을 쉬프트 시켜서 사용할 수 있습니다. 보통 다른 CPU에서는 쉬프트 명령이 따로 있었는데, ARM7에서는 따로 존재하는 것이 아니라 대부분의 명령에서 옵션으로 적용시킬 수 있습니다.

3. Booth's 곱셈기

: 곱셈 기능을 제공하는 32 비트 Booth's 곱셈기가 있습니다. 곱셈기는 32 비트 연산을 지원하며, 32비트의 두 입력을 받아서 곱하여, 결과가 32비트를 넘더라도 넘는 부분은 버리고 32비트만을 남깁니다.

이밖에 인스트럭션 디코더와 인크리멘터가 달린 어드레스 레지스터 등이 있고, 내부적으로는 지난번에도 말했듯이 32비트의 어드레스 & 데이터 버스로 연결됩니다. 또, ARM7은 파이프라인을 제공하고, 추가적으로 StrongARM과 같은 칩에서는 캐쉬 기능과 MMU 기능 등도 제공합니다.

전에 말씀 드렸지만, ARM7은 CPU의 코어를 말합니다. 즉, 특정 칩을 일컫는 것이 아니기 때문에, 흔히 CPU를 접할 때 다루게 되는 I/O제어나 타이머, 인터럽트 부분 등은 강좌에서 소개되지 않습니다. 왜냐하면, 같은 ARM7 코어의 CPU라 하더라도 해당 부분들이 각기 다르기 때문입니다. 따라서 여러분들이 ARM7 코어를 사용한 칩을 공부하시고자 할 경우엔, 먼저 이 강좌의 내용인 ARM7 코어에 대한 부분을 공부하고, 다음에 해당 칩의 데이터시트를 보셔야 합니다.

참고로, 제가 공부했던 칩은 샤프에서 나온 LH77790 이라는 칩과 Strong ARM 코어를 사용한 인텔의 SA1100 이라는 칩 두 가지 입니다.

StrongARM은 Digital 사에서 ARM7 코어를 Licence 얻어서 확장한 형태인데, 기본적으로는 거의 유사하고 MMU같은 기능들이 추가가 된 코어입니다. 현재는 Intel이 Digital로부터 Licence를 구입하여 생산하고 있고, SA110 이나 SA1100, SA1111 등의 칩으로 제작되어 판매되고 있습니다.

현재 생각으로는 강좌의 끝 부분에 가서 StrongARM인 SA1100에 대해서도 조금 다루어 볼 생각입니다.

그럼 오늘 강좌는 이만 줄이도록 하겠습니다. 다음 강좌에서는 ARM7의 레지스터에 대한 내용을 다루겠습니다.

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ARM7 강좌 [4] : 레지스터

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● ARM7의 레지스터

지난 강좌에서 ARM7에는 31개의 General Purpose 레지스터와 6개의 Status 레지스터가 있다고 말씀드렸습니다. 물론 모두 32비트 레지스터입니다.

그런데, ARM7의 어셈블러에서 사용하는 범용 레지스터 키워드는 r0에서 r15까지 16개 밖에는 되지 않습니다. 즉, 다시 말해서 사용자가 한번에 사용할 수 있는 레지스터는 16개 입니다. 그 중에 몇 개는 프로그램 카운터 (PC) 나 스택 포인터(SP) 등의 용도로 사용됩니다. 나머지 레지스터는 CPU 동작 모드(Exception)과 관련되어 r0-r15로 리-맵핑되어 사용되는데 이는 다시 설명 드리겠습니다.

1. Special Purpose General Register

위 부분에서 잠시 설명 드렸지만, User가 프로그램 할 때 레지스터 지정을 위해 사용할 수 있는 키워드는 r0에서 r15까지 입니다. 그 중에 몇 가지는 특별한 목적을 위해 사용됩니다.

- Program Counter (r15)

: r15는 다른 CPU에서 PC와 같은 역할을 합니다. 다만 차이가 있다면 r15를 일반 다른 레지스터처럼 오퍼랜드로 사용할 수 있다는 점이고(다른 CPU도 마찬가지인가요?) ARM어셈블러에서는 pc라는 키워드와 r15를 동일하게 취급합니다.

- Stack Pointer (r13)

: ARM7에는 Stack을 위한 명령어가 따로 없습니다. 즉, Push 나 Pop등의 명령어가 제공되지 않습니다. 그러나 sp라는 키워드를 사용하여 r13을 쓸 수 있는데, 묵시적으로 r13을 스택포인터로 사용할 수 있도록 정해 놓은 듯 합니다. 그러면 왜 하필이면 r0나 r1이 아니고 r13을 sp라고 부르는가 하면, 역시 Exception과 관련된 부분이므로 잠시 후에(혹은 다음강좌에) 설명하도록 하지요. 그리고, Push 명령이나 Pop 명령이 없으므로, ARM7에서는 같은 기능을 일반 데이터 전송 명령을 통해 해결합니다. ARM7의 데이터 전송명령은 Auto Increment 기능이 있어서 하나의 인스트럭션으로 Push나 Pop과 동일한 기능을 수행 할 수 있습니다.

- Link Register (r14)

: r14는 링크 레지스터라고 부릅니다. 이 레지스터는 8086등에서는 보지 못했던 기능의 레지스터입니다. 8086등의 프로세서는 서브루틴을 호출할 경우 CALL을 사용하면 다음에 수행될 프로그램 카운터를 스택에 넣고, 호출될 번지를 프로그램 카운터에 넣는 동작을 하는데, ARM7에서는 CALL과 RET와 같은 명령이 없습니다. 대신 Branch with Link 라는 명령(BL)이 있는데, 해당 명령을 수행하면, CALL과 비슷하게 다음에 수행될 pc(r15)값을 스택이 아니라 lr(r14)에 넣고 분기 번지를 pc(r15)에 넣어 분기합니다. 즉, 스택을 사용하지 않는 것이지요. 복귀할 때는 RET대신 mov pc,lr 이라는 데이터 전송명령으로 복귀합니다.

이런 방식은 나름대로 장단점이 있습니다. 우선 단점을 말하자면, 어떤 서브루틴이 콜 되었을 때, 서브루틴에서는 복귀번지가 r14에 들어있는 상태가 됩니다. 문제는 해당 서브루틴에서 다시 한번 다른 서브루틴을 콜 한다면, 원래 r14에 보관되어 있던 복귀 번지 값이 덮어씌워지는 결과가 생깁니다. 이런 경우엔, 수동으로 sp(r13)를 이용하여 스택에 r14 값을 보관해 두어야 합니다. 즉, Call하기 전에 r14를 스택에 보관해 두고, 리턴해서 복구하는 과정을 거치는 셈이지요.

그러면 구태여 왜 이런 방법을 사용할까요. 이미 눈치채신 분들도 계시겠지만, 그렇게 Call을 연속적으로 하는 경우가 아닌, 한번만 Call 하는 경우라면, 스택을 사용하지 않고 레지스터를 사용함으로써, 그 속도에서 이익을 얻게 되는 것이죠.

개인적으로는 기능이야 어떻든, Call과 Ret 마저 없어서 코드를 읽기가 상당히 좋지 않다는 생각입니다. 코드를 보고 어디서 어디까지가 한 프로시저인지 쉽게 분간이 안 갈 경우가 많거든요.

2. ARM7 Status Register

이제 Status 레지스터를 살펴보려고 합니다. ARM7에는 32비트의 Status 레지스터가 6개가 있습니다. 그러나 6개 모두를 한꺼번에 사용하지는 못하고, 또 그럴 필요도 없죠. 일단은 하나의 32비트 Status 레지스터만 생각하면 됩니다.

Status 레지스터는 PSR이라고 부릅니다. 그리고 일반적으로 CPSR이라고 하여 Current Processor Status Register로 부릅니다.

PSR은 크게 Flag Bits부분과 Control Bits부분으로 나뉩니다.

- Flag Bits

: 어떤 인스트럭션의 결과 등을 나타내는 부분으로 4 비트가 있습니다. 다른 CPU의 그것과 유사한데, 각각 N, Z, C, V 의 4가지입니다.

1) Negative/Less Than Flag

: N으로 표기되는 이 플래그는 연산의 결과가 마이너스인 경우에 세트됩니다.

2) Zero Flag

: Z로 표기되는 이 플래그는 연산의 결과가 0이 되었을 경우에 세트됩니다.

3) Carry/Borrow/Extend Flag

: C로 표기되는 이 플래그는 자리올림이나 내림이 발생한 경우, 그리고 Shift 연산 등에서 사용됩니다.

4) Overflow Flag

: V로 표기되는 이 플래그는 연산의 결과가 오버플로우 되었을 경우 사용됩니다.

이상의 Flag Bit들은 다른 칩의 상태 레지스터와 다르지 않습니다. 따라서 이해를 하는 데에도 별 무리가 없으리라 생각되며, 더 자세히 알고 싶다면, 각 명령어와 관련된 문서를 참조하시길 바랍니다.

- Control Bits

: 컨트롤 비트들은 인터럽트를 제어하는 비트와 계속해서 언급되기만 하고 실체를 드러내지 않고 있는 Exception과 관련된 CPU 동작모드를 설정하거나 확인할 수 있는 기능을 가진 Bit가 있습니다.

1) IRQ / FIQ Disable Bit

: ARM7의 인터럽트 중에서 IRQ와 FIQ를 금지시킬 수 있는 플래그입니다. 인터럽트의 종류는 이밖에도 몇 가지가 더 있는데, 그 중에서 IRQ, FIQ는 PSR을 통해 금지시키거나 가능하도록 설정할 수 있습니다.

2) Mode Bits

: M0 에서 M4까지의 모드 비트는 CPU의 6개의 동작 상태를 나타냅니다. 즉, 간단히만 말하자면 ARM7은 6개의 동작 모드를 가지는데, 이를테면 User모드와 인터럽트 모드 등입니다. 역시 자세한 내용은 다음 강좌를 통해 말씀드리겠습니다.

이제 Status 레지스터를 한번 그려보겠습니다.

+----------------------------------------------------------------+

| N | Z | C | V | ... | I | F | | M4 | M3 | M2 | M1 | M0 |

+----------------------------------------------------------------+

Bit 31 30 29 28 7 6 4 3 2 1 0

오늘은 ARM7의 레지스터에 대해 기본적인 내용을 알아보았습니다. 하지만 많은 부분에서 ARM7의 동작 모드와 관련되는 부분이 나왔지요. 때문에 다음 시간으로 미룬 부분들이 많군요.

다음 강좌에서는 ARM7 Exception에 대해서 다루려고 합니다. 오늘은 이만 줄이겠습니다.

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ARM7 강좌 [5] : Exception (1)

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● Exception

우선 Exception이 무엇을 말하는지를 이제부터 정리해 보고자 합니다. 일반적으로 인터럽트와 유사한 개념으로 사용합니다. 어떻게 보면 인터럽트보다는 조금 큰 개념이랄 수도 있고, 정확한 정의에 대해서는 말씀을 드리지 못하겠군요. 개념을 ARM7에서의 Exception으로 한정해서 말씀드리겠습니다.

구체적으로 ARM7에는 FIQ(Fast Interrupt reQuest)와 IRQ(Interrupt reQuest), Abort, Software Interrupt, Undefined Instruction Trap의 5가지 Exception이 있고, 각각 Exception이 발생하면 CPU는 대응하는 동작모드로 전환됩니다. 여기에 보통 동작상태인 User 동작모드가 추가되어 동작 모드는 총 6개가 있습니다.

- IRQ

: 일반적으로 I/O 장치로부터의 입력이 들어오면 반응을 하는 흔히 말하는 인터럽트 Exception입니다. IRQ의 종류로는 내부 타이머나 시리얼, 혹은 외부 IRQ입력 등이 될 수 있습니다.

- FIQ

: 개념적으로는 IRQ와 거의 유사한데, 다만 보다 빠른 처리를 할 수 있도록 제공되는 Exception입니다. IRQ의 소스는 대부분 FIQ로도 매핑 될 수 있습니다. 즉, 타이머 인터럽트를 IRQ로 처리하거나, 혹은 FIQ로 처리할 수도 있다는 의미입니다.

- Abort

: CPU가 메모리로부터 인스트럭션을 가져오거나, 혹은 인스트럭션을 동작시키면서 데이터를 가져오려고 할 경우, 해당 메모리를 억세스 할 수 없다면 Abort Exception이 발생합니다. 위에 제시한 두 가지 경우에 대응하여 Prefetch Abort와 Data Abort로 구분할 수 있습니다.

- Software Interrupt

: 프로그램에서 임의로 인터럽트를 호출하는 경우입니다. ARM Instruction SWI가 이에 해당합니다. 이 Exception이 발생하면 CPU동작모드가 Supervisor 모드로 바뀌도록 되어 있고, 보통 OS의 시스템 Call을 구현하기 위해 사용됩니다.

- Undefined Instruction Trap

: ARM7 에 정의되어 있지 않은 명령어를 만났을 경우 발생하는 Exception입니다. 이 기능은 코프로세서를 사용하는 경우와 관련되어 사용된다고 합니다.

위에서 언급한 5종류의 Exception에 몇 가지를 더하여, 해당 처리를 위해 ARM7은 0번지에 벡터 테이블을 유지합니다. 즉, 해당 Exception이 발생하면 정해져 있는 벡터 번지로 실행을 옮깁니다. 해당 번지는 다음과 같습니다.

Address Exception Mode on entry

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0x0000.0000 Reset Supervisor

0x0000.0004 Undefined Instruction Undefined

0x0000.0008 Software Interrupt Supervisor

0x0000.000C Abort(prefetch) Abort

0x0000.0010 Abort(data) Abort

0x0000.0014 --reserved-- --

0x0000.0018 IRQ IRQ

0x0000.001C FIQ FIQ

한가지 주의할 점은 8086의 경우엔 해당 벡터에 ADDRESS를 넣어 두면, 인터럽트 발생 시에 해당 주소를 가져다가 PC에 넣어주는 일이 발생하지만, ARM7의 경우엔 그냥 해당 벡터로 점프를 합니다. 예를 들어 IRQ가 발생했다면 다음순간의 pc(r15)값은 0000.0018 이 됩니다. 따라서 해당 벡터 번지에는 단순히 번지가 들어가는 것이 아니라 점프명령 같은 것이 들어갑니다.

● 동작모드

위의 Exception과 관련되어 CPU의 동작모드 몇 가지가 나타나 있습니다. 전에도 몇 번 말했듯이 ARM7에는 6가지의 동작 모드가 있습니다. 해당 모드는 User Mode, FIQ Mode, IRQ Mode, Supervisor Mode, Abort Mode, Undefined Mode 등의 6가지입니다.

- 동작모드와 범용 레지스터

동작모드가 왜 있는 걸까요? ARM7은 각 동작모드에 따라서 몇 가지 기능을 제공합니다. 가장 큰 것으로 레지스터를 리-맵핑시키는 기능이 있습니다. 좀 다르게 설명하면, 각 모드마다 전용 레지스터가 따로 있다고도 표현할 수 있겠는데요, 차근차근 설명해 보도록 하겠습니다.

CPU의 동작모드는 보통 때는 User 모드입니다. 이 때는 기본적으로 r0에서 r15까지를 사용하고 있겠죠. 그러다 가령 FIQ가 발생했다고 하면 동작 모드가 FIQ 모드로 바뀌게 됩니다. 이와 동시에 r8부터 r14까지의 7개의 레지스터는 FIQ 전용 레지스터로 리-맵핑됩니다. 즉, User모드의 레지스터와는 별개였던 레지스터 7개가 r8부터 r14까지의 위치에 배치되는 것이죠. 물론 기존의 User모드에서 사용하던 r8-r14까지의 레지스터와는 별개의 레지스터입니다.

이렇게 하는 장점을 생각해 보겠습니다. 흔히 인터럽트 처리루틴을 작성할 경우 인터럽트 발생 시 가장먼저 하는 일이 사용 중이던 레지스터를 스택에 저장하고, 또 처리루틴이 종료될 때는 다시 복구시키는 일이었습니다. 그러나 ARM7에서 FIQ의 경우를 살피면, FIQ 처리 루틴의 코딩 시에는 r8부터 r14까지를 자유롭게 사용할 수 있고, 또 저장과 복구 과정을 생략해도 좋습니다. CPU모드가 바뀜에 따라 레지스터 자체가 별개의 다른 것으로 바뀌었기 때문입니다.

해당 내용을 정리해 보도록 하겠습니다.

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User FIQ Super Abort IRQ Undefined

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r0 . . . . .

r1 . . . . .

r2 . . . . .

r3 . . . . .

r4 . . . . .

r5 . . . . .

r6 . . . . .

r7 . . . . .

r8 r8_fiq . . . .

r9 r9_fiq . . . .

r10 r10_fiq . . . .

r11 r11_fiq . . . .

r12 r12_fiq . . . .

r13 r13_fiq r13_svc r13_abt r13_irq r13_und

r14 r14_fiq r14_svc r14_abt r14_irq r14_und

r15(PC) . . . . .

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위의 그림이 각 모드에 따라 리-맵핑되는 레지스터들을 나타낸 그림입니다. FIQ모드에서는 7개, 그리고 나머지 모드에서는 2개씩의 레지스터가 리-맵핑됩니다.

이 개념이 이해하기가 좀 어려울지도 모르겠군요. 시간을 가지고 차근차근 생각해 보시길 바랍니다.

그러면 왜 다른 모드들에서는 r13과 r14를 따로 두었을까요? 그것은 그 레지스터들이 특별한 목적을 위해 사용되는 레지스터이기 때문입니다.

레지스터차원에서 이번에는 IRQ가 발생한 경우를 가지고 설명해 보겠습니다.

r14는 Link 레지스터로써 Call과 같은 인스트럭션이 발생할 경우 복귀 할 번지를 저장해 두는 레지스터입니다. 다음은 IRQ 발생 과정입니다.

1) User모드에서 r0-r15를 사용하고 있다.

2) IRQ 발생

3) ARM CPU는 동작모드를 IRQ 모드로 바꾼다.

( 이때 r13과 r14는 IRQ 전용 레지스터로 대치된다.)

4) 이 시점의 PC 값은 IRQ 처리 이후 복귀할 번지이다. 그 값을 r14 (이미 IRQ모드가 되었으므로 r14_irq) 에 넣는다.

5) 만약에 r0부터 r12까지를 IRQ처리 루틴에서 사용하고자 한다면 해당 레지스터를 sp(r13, 역시 r13_irq)를 사용하여 스택에 넣는다.

.....

여기서 5)번 과정을 눈 여겨 볼 필요가 있을 듯 합니다. r13이 스택 포인터로 사용됨은 지난 강좌에서 말씀드렸었습니다. 그런데, 각 모드마다 r13을 따로 가지고 있으므로, 스택을 CPU 동작모드마다 따로 관리할 수 있게 되는 것입니다.

그림이라도 그려서 설명을 드리면 좋을 듯 한데, 텍스트로만 설명하기가 쉬운 일이 아니군요.

r14는 복귀번지가 들어가기 때문에 항상 디폴트로 사용되므로 여분의 레지스터가 필요하겠죠. 그런 이유로 r13과 r14를 각 모드마다 따로 둔 것입니다. 혹시 이해가 되시나요?

FIQ모드는 그 이름에서도 나타나 있듯이 7개의 레지스터를 따로 두어서 레지스터 저장 복구 과정을 거의 생략할 수 있도록 한 것이죠.

그리고 참고로 Exception에서 복귀할 경우엔 기본적으로는 해당 모드의 r14 번지의 내용을 r15번지로 넣는데, 각 모드마다 조금씩의 차이가 있습니다.

맨 처음 ARM7 을 소개할 때 범용 레지스터가 31개라고 말씀드렸었는데, 지금 다시 계산을 해보면, User모드의 디폴트 16개 + FIQ 모드 7개 + 나머지 4개의 모드 *2 =8개 해서 16+7+2+2+2+2=31 개로 계산이 됩니다.

- 동작 모드와 PSR(Status 레지스터)

범용레지스터와 비슷하게 PSR 역시 동작모드마다 따로 관리가 됩니다. 해당 레지스터는 뒤에 모드 이름을 붙여서 SPSR_fiq, SPSR_svc, SPSR_abt, SPSR_irq, SPSR_und 와 같은 이름으로 부릅니다. 따라서 PSR 개수는 CPSR을 포함하여 총 6개가됩니다.

SPSR은 CPSR값을 저장해 두는 역할을 합니다. 범용레지스터가 아예 맵핑이 바뀌는데 반해, 모드가 바뀔 경우, 예를 들어 IRQ가 발생했다면, 기존에 User모드에서 사용하는 CPSR값을 SPSR_irq에 저장을 합니다. 그리고 IRQ 모드에서는 CPSR과 SPSR_irq를 둘 다 볼 수 있습니다. 후에 IRQ가 끝나는 시점에서 SPSR_irq의 내용을 CPSR로 복구하면 원래의 CPSR값이 유지되는 것이죠.

가만히 생각해보면 Exception이 발생했을 때 해당 처리 루틴에는 그 순간의 CPSR값을 그대로 가져오는 셈이지요. 다만 시작할 때 해당 값을 SPSR에 저장해 두었기 때문에 IRQ 처리루틴에서 수정이 된다고 해도, 복귀할 때 SPSR에서 CPSR값을 다시 가져오므로, 실행 중이던 환경은 그대로 유지가 되는 것입니다. 이렇듯 ARM7에서는 Exception처리에 있어 되도록 스택 사용을 최소화하려는 노력을 엿볼 수 있습니다.

오늘 강좌 내용은 좀 어려웠던 것 같습니다. 다른 CPU에는 없는 개념(?)을 설명하느라 그런 것 같습니다. 더 이상 길어지기 전에 오늘은 이만 줄이려 합니다. 다음 강좌에서는 Exception부분에서 좀 더 알아야 할 몇 가지 사항을 간단히 언급하도록 하겠습니다.

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ARM7 강좌 [6] : Exception (2)

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● Exception Overview

Exception을 처음부터 완전히 이해 할 필요가 있다고는 생각하지 않습니다. 대부분의 것들이 그러하듯 우선은 이런 것이 뭐다 라고 파악만 하고 있다면, 정작 필요할 경우에 다시 자세히 살펴보아도 좋을 것입니다.

그런 취지에서 Exception을 바라본다면, ARM 7에는 여섯 가지의 CPU 동작 모드를 지원한다는 사실과, 차후 MMU 같은 것에도 그 동작모드가 관여한다는 것. 그리고 각 모드마다 스택을 따로 설정해 준다는 것... 등.

꼭 알아야 할 것이 있다면 IRQ나 FIQ 정도가 되겠지요. 흔히 말하는 인터럽트 관련 부분이 바로 이 부분입니다. 실제 코딩을 할 경우에는 CPU에서 정해져 있는 IRQ, FIQ관련 레지스터를 설정하고, 해당 벡터 번지를 바꾸는 정도... 그리고 초기화 시에 해당하는 스택 공간을 따로 잡아주는 정도만 신경을 쓰면 됩니다.

원래는 각 Exception 모드마다 종료 방법이 각기 다름을 설명 해 드리려고 했는데, (구체적으로는 FIQ는 서비스 종료 시에 SUBS pc,r14_fiq,#4)라는 명령을 사용해야 합니다, 혹은 소프트웨어 인터럽트의 경우엔 MOVS pc,r14_svc 를 사용합니다.) 굳이 그런 내용까지 다룰 필요는 없을 듯 하다는 생각입니다. 필요한 경우 도큐먼트를 참조하면 자세히 나와 있습니다. 참고로 그렇게 각각 경우에 따라 복귀 방법이 다른 이유는 추측하자면 파이프라인 기능과 관련이 있는 것 같습니다.

그러면, 다시 앞으로 돌아가서, Exception과 CPU동작모드의 연관성에 대해 마저 얘기해 보려 합니다. CPU동작 모드는 일반적으로는 Exception에 의하여 바뀌게 되고, User모드가 아니라면 프로그램에 의해 강제로 바꿀수도 있습니다.

전에 살펴보았던 CPSR(스테이터스 레지스터)과 관련되어, CPSR의 모드비트 부분에 현재 CPU의 동작모드를 나타내는 비트들이 있는데, 해당 비트를 변경시킴으로서 프로그램에서 동작모드를 전환할 수 있습니다. OS를 포팅 할 경우 동작모드와 관련하여 메모리 보호기능 등도 구현될 수 있습니다.

마지막으로 몇 가지 사항만 말씀드리고 오늘 강좌를 마치려 합니다. 우선, Exception간의 우선순위 문제인데, 기본적으로 ARM7은 IRQ, FIQ를 지원하지 않습니다. 해당 인터럽트가 발생하면 CPU는 CPSR의 인터럽트 금지 플래그를 설정합니다. 만약 도중에 인터럽트를 받고 싶다면 사용자가 해당 플래그를 클리어 해주어야 합니다. 또, 동시에 여러 개의 Exception 이 발생한 경우라면 그 우선순위는 다음과 같습니다.

1) Reset (가장 높은 우선순위)

2) Data abort

3) FIQ

4) IRQ

5) Prefetch abort

6) Undefined Instruction, Software Interrupt

Exception 부분을 설명하다 보니 강좌가 자칫 너무 딱딱해지는 감이 있어서 그냥 이쯤에서 마무리를 지으려 합니다.

다음 강좌부터는 좀더 구체적인 ARM7의 인스트럭션에 대해 다루겠습니다. 명령어가 몇 개 되지 않기 때문에 3회 정도로 다룰 생각입니다..

그럼 다음 강좌에 뵙겠습니다.

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ARM7 강좌 [7] : Instruction Set (1)

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● ARM7 명령어의 특징

AMR7은 32 Bit 코어입니다. 특징적인 것은 모든 명령어가 32Bit 하나의 Word로 구성된다는 것입니다. 8086의 경우엔 명령어에 따라 1바이트 명령부터 5바이트까지 있나요? 그런데, ARM7은 모든 명령어를 한 워드로 처리합니다. 일단은 명령어의 개수가 몇 안되고, 주소는 상대주소 방식을 사용하며, 심지어는 Immediate 상수 값도 32비트 값은 그대로 넣을 수 없습니다.

무슨 이야기인가 하면, 만약 r0에 32비트 상수를 넣고 싶다면, 몇몇 예외를 제외하고는 메모리에 미리 넣어두고 해당 메모리를 상대 주소로 참조해서 얻어 와야 한다는 뜻입니다.

역시 장단점이 있겠지만, 장점으로는 모든 명령어를 같은 사이즈로 처리함에 따라 파이프라인 구현이 용이하다는 점이 있습니다. 그리고 명령어 해석기를 설계할 경우 예외 처리부분이 없으므로, 쉽고 고속으로 처리할 수 있겠지요. 단점은 앞에서도 간단히 언급했지만 코딩 시에 몇몇 제한이 따른다는 점입니다. 상대 주소 지정 방식은, 이때 사용하는 Offset이 24+2=26 비트이므로, 상대주소라고는 하지만 거의 불편이 없고, 다만 Immediate 오퍼랜드를 지정할 경우에 좀 번거롭다는 점이 있습니다. 그러나 8비트의 해상도를 가지는 오퍼랜드라면 한 워드 내에서 처리 가능합니다. 자세한 내용은 다시 말씀드리겠습니다.

ARM 명령어의 다른 특징으로는 모든 명령어를 조건적으로 실행시킬 수 있다는 것입니다. 저의 경우엔 이 부분에서 대단히 감명을 받았는데요 예를 들어, 8086에서는 jz, jc 와 같은 점프 명령을 사용합니다. 그 의미는 제로 플래그가 설정되어 있으면 점프를 해라, 혹은 캐리 플래그가 설정되어 있으면 점프를 해라.. 라는 의미임을 아실 것입니다. 그냥 무조건 점프의 경우엔 jmp를 쓰지요.

ARM의 경우엔 그런 플래그의 사용이 점프명령에 국한되지 않고, 예외 없이 모든 명령어에 사용할 수 있습니다.

ex) BEQ jmp_1 ; Branch if Z flag set to jmp_1

MOVEQ r0,r1 ; r0 := r1 if Z flag set...

위의 경우를 보시면 jmp에 해당하는 B명령뿐만 아니라 MOV 와 같은 데이터 전송명령에도 플래그 옵션을 사용했음을 볼 수 있습니다. 이런 기능의 장점은 잠깐만 생각해 보아도 알 수 있습니다. 예를 들어 C 연산자 중에 ? 연산자를 컴파일 한다고 생각해 봅시다.

ex) a=(b==c) ? d:e;

(편의상 변수를 레지스터로 바꾸어 생각하겠습니다.)

CMPS r2,r3

MOVEQ r1,r4

MOVNE r1,r5

아직 명령어를 안 다루었으므로 대충 의미는 추측 해 보세요. 8086이랑 대충은 비슷하니까 어려운 일은 아닐 것입니다. r2와 r3를 비교해서, 그 결과가 같다면 r1에 r4를 넣고, 그렇지 않다면 r1에 r5를 넣는 코드입니다. 만약 같은 일을 8086등에서 하려면 점프 명령이 한 개 이상은 들어가야 하겠죠.

다시 한번 강조하지만 ARM7에서는 이와 같은 조건 옵션을 모든(!) 명령어에 사용 가능합니다. 실제로 모든 OP 코드의 상위 4비트는 이런 조건옵션을 나타내는데 사용되는 비트입니다. 각 조건에 사용되는 접미사 목록입니다.

0 EQ Z Set equal

1 NE Z Clear not equal

2 CS C Set unsigned higher or same

3 CC C Clear unsigned lower

4 MI N Set negative

5 PL M Clear positive or zero

6 VS V Set overflow

7 VC V Clear no overflow

8 HI C Set and Z Clear unsigned higher

9 LS C Clear or Z Set unsigned lower or same

10 GE N Set and V Set or greater or equal

N Clear and V Clear

11 LT N Set and V Clear or less than

N clear and V set

12 GT Z clear and greater than

ether N set and V set or

N Clear and V clear

13 LE Z Set or less than or equal

N set and V clear or

N clear and V set

14 AL always

15 NV never

뒷부분에 가서는 무지 복잡하죠? 저도 치면서 이걸 꼭 쳐야 할 필요가 있을까 생각을 했습니다만, 이왕 시작하는 거.. 하면서 다 쳤군요. 자세하고 정확한 내용은 다른 문서를 참조하시길 바라고 여기서는 그냥 이런 것들이 있구나 하는 정도만 알아두세요.

다음으로 말씀드릴 명령어의 특징은 대부분의 명령어에 S라는 접미사를 사용하여 플래그 레지스터에 영향을 줄지 여부를 결정할 수 있다는 것입니다. 특히 연산명령을 수행할 때 'S'를 붙이면 해당 결과에 따라서 플래그 값들이 변하게 되고, 붙이지 않으면 영향을 미치지 않도록 할 수 있습니다. 8086에서는 연산의 결과에 따라 항상 플래그 값이 영향을 받죠? 여기서는 받지 않게 할 수도 있다는 점을 말씀드렸습니다. 자세한 내용은 명령어의 세부사항을 참조하세요.

명령어의 특징을 말씀드리는 중인데, 앞으로도 오퍼랜드 사용 등에 대해 말씀드릴 것이 많이 남아있네요... 그런데 분량은 점점 늘어나고...

ARM은 지금 말씀드리는 규칙들이 거의 예외 없이 적용됩니다. 명령어가 간단한 대신 옵션이 많거든요...그리고 지금 그 옵션 두 가지를 말씀드렸고요.

오늘은 그냥 끝내기는 서운하니까 점프 명령 하나만 말씀드리고 마치겠습니다.

● Branch and Branch with link (B, BL)

+------------------------------------------------------------------+

| Cond | 101 | L | |

+------------------------------------------------------------------+

Cond 부분은 위에서 말씀드린 조건 옵션입니다. 101은 B 명령 코드입니다.

L 부분은 1일 경우 BL 이 되는 것이고 0이면 B 명령입니다. B는 JMP라고 생각하시면 되고, BL은 CALL로 생각하시면 됩니다. 다만 BL의 경우엔 PC값을 스택에 넣는 것이 아니라 r14(lr)에 넣는다는 것이 차이가 있습니다. 나머지 하위 24비트가 Offset으로 사용되는데, ARM7은 모든 명령어들이 Word단위이므로 총 +/- 32메가 바이트 영역을 커버합니다.

좀 어수선한 느낌입니다만. 오늘은 이만.

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ARM7 강좌 [8] : Instruction Set (2)

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이번 강좌에서는 데이터 프로세싱 명령에 대해 다루려 합니다. 해당 명령은 ARM7의 50%정도에 해당하는 명령입니다. 실제 개수는 16개이고, 연산명령과 비교명령, 비트 연산명령, 데이터 전송 명령 등이 포함됩니다.

● Data Processing Instruction

데이터 전송명령의 형식은 다음과 같습니다.

+--------------------------------------------------------------------+

| Cond | 00 | I | OpCode | S | Rn | Rd | Operland 2 |

+--------------------------------------------------------------------+

4 2 1 4 1 4 4 12

전에 언급했듯이 모든 인스트럭션의 크기는 32 Bit 입니다. 위의 그림에서 숫자는 해당 필드의 비트 수를 의미합니다.

1) <Cond> [31:28] 4 Bit

해당 명령의 조건 실행 플래그입니다. 지난 강좌에서 언급했었던 부분인데, 모든 명령어에 포함되므로 데이터 프로세싱 명령에도 포함됩니다.

혹시나 해서 다시 말씀드리는데, 해당 플래그를 통해 명령을 현재 플래그 레지스터(CPSR)의 상태에 따라 실행 여부를 결정하는데 사용되는 플래그입니다.

2) <I> [25] 1 Bit

Operland 2로 지정되어 있는 부분이 Immediate Operand 인지 아닌지 여부를 나타내는 비트입니다. Immediate Operand라 함은, 예를 들어 8086에서 MOV AX,01234h 라고 했을 경우, 1234h를 가리키는 말입니다. 자세한 내용은 Operland2를 설명하면서 자세히 다루겠습니다.

3) <OpCode> [24:21] 4 Bit

데이터 프로세싱 명령 중 어떤 명령인지를 나타내는 필드입니다. 해당 필드와 명령어는 다음과 같습니다.

<OpCode> Instruction Description

-----------------------------------------------------

0000 AND Rd:=Op1 AND Op2

0001 EOR Rd:=Op1 XOR Op2

0010 SUB Rd:=Op1 - Op2

0011 RSB Rd:=Op2 - Op1

0100 ADD Rd:=Op1 + Op2

0101 ADC Rd:=Op1 + Op2 + C

0110 SBC Rd:=Op1 - Op2 + C - 1

0111 RSC Rd:=Op2 - Op1 + C - 1

1000 TST Op1 AND Op2 -> CPSR

1001 TEQ Op1 XOR Op2 -> CPSR

1010 CMP Op1 - Op2 -> CPSR

1011 CMN Op1 + Op2 -> CPSR

1100 ORR Rd:=Op1 OR Op2

1101 MOV Rd:=Op2

1110 BIC Rd:=Op1 AND (NOT Op2)

1111 MVN Rd:=NOT Op2

명령어들의 간단한 설명만으로도 어느 정도는 이해할 수 있으리라 생각합니다. 각각의 명령에 대해서는 자세히 다루지 않도록 하겠습니다. 나중에 예제를 보시고 이해할 정도라면 족하다고 생각합니다.

4) <S> [20] 1 Bit

S 비트가 1인 경우는 데이터 프로세싱 명령의 결과가 CPSR(플래그레지스터)에 영향을 미칩니다. 즉, 0인 경우에는 CPSR은 변하지 않습니다.

5) <Rn> [19:16] 4 Bit

ARM 데이터 프로세싱 명령은 그 결과와 첫 번째 오퍼랜드는 항상 레지스터로 지정해야 합니다. Rn은 첫 번째 오퍼랜드를 가리키는 것으로 위에서 Op1으로 표기한 것에 해당합니다. ARM에서 한번에 볼 수 있는 범용 레지스터는 sp, lr, pc 등을 포함해서 r0에서 r15까지라고 말씀 드렸습니다. 즉, 4Bit를 통해 레지스터를 나타내게 됩니다. 해당 필드는 명령에 따라 사용되지 않기도 합니다. MOV나 MVN등이 이에 해당합니다.

6) <Rd> [15:12] 4 Bit

오퍼레이션의 결과가 저장될 레지스터를 의미합니다. 역시 레지스터를 가리키므로 4비트를 사용하고 모든 명령에서 디폴트로 사용되는 필드입니다. 말씀드렸듯이 ARM의 데이터 프로세싱 명령의 결과는 항상 레지스터로 들어갑니다.

7) Operand 2 [11:0] 12 Bit

드디어 오늘의 가장 험난한 산인 Operand 2 필드까지 왔군요. 설명 드려야 할 부분이 좀 많거든요. 어떻게 설명을 드려야 할지, 막막하긴 하지만, 용기를 가지고 차근차근 설명해 보도록 하겠습니다.

● 데이터 프로세싱 명령의 Operand 2 필드

오퍼랜드 2의 의미 자체는 별게 아닙니다. 아마도 다들 아시겠지만, ALU에 연산명령을 내릴 경우 한 쪽 입력은 오퍼랜드 1, 다른 쪽은 오퍼랜드 2 그리고, 결과가 나오고... 앞서 설명한 내용에 의거하면 다음과 같이 표현 할 수 있겠죠?

Op1(Rn) Operand 2

-------------- ---------

| | / /

| | / /

| | / /

| /

| ALU /

| /

| /

----------------

Rd

예를 들어 AND r1,r2,r3라는 명령에서 Rd = r1 이고 Rn=r2 입니다. 그리고 r3가 Operand2에 해당하는 부분이 되겠죠. 의미는 r1=r2 & r3 라는 의미입니다.

여기서 설명하고자 하는 ARM7의 데이터 프로세싱 명령의 Operand2의 타입은 두 가지 종류가 있습니다. <I> 필드의 내용에 따라 구분이 되는데, Immediate Operand 혹은 레지스터 Operand입니다.

1) Register Operand

<I> 필드가 0일 경우엔 Op2가 레지스터임을 의미합니다. 레지스터를 나타내기 위해서는 아시다시피 4비트만 있으면 되죠? 그런데 Op2를 위한 비트 수는 총 12 비트입니다. 남는군요.

구체적으로 레지스터 오퍼랜드2의 형식을 보여드리겠습니다.

+----------------------------------------------+

| Shift [11:4] | Rm [3:0] |

+----------------------------------------------+

위의 그림을 보시면 Rm이라고 레지스터를 지정하는 4비트가 포함되어 있습니다. 그러면 Shift 부분은 뭘까요?

강좌의 앞부분에서 언급했나요? 무슨 Shift가 ALU의 한쪽에 달려 있다고. 결론적으로는 레지스터를 ALU로 그냥 집어넣는 것이 아니라 Shifter를 통해서 넣어주도록 되어 있습니다. 따라서, Shift라는 필드는 (8비트죠?) 그런 역할을 해주는 것이겠군요. 그럼 왜 8비트일까요? 여기서 다시 한번 Shift를 구체적으로 살펴보겠습니다.

우선 그전에 Shift 필드에는 Shift 회수를 지정하는 방법이 두 가지가 있는데, 첫 째는 Shift 필드 안에 그 회수를 포함시키는 방법이고, 두 번 째는 Shift 회수가 들어있는 레지스터를 Shift 필드 안에서 지정하는 방법입니다. 경우의 수가 자꾸 늘어가는군요. 해당 타입 두 가지는 Shift 필드의 최하위 비트인 4번 비트에 따라 결정됩니다. 다시 그림을 그려보겠습니다.

+-------------------+ +-------------------+

| count |type | 0 | | Rs | 0 |type | 1 |

+-------------------+ +-------------------+

5 2 1 4 1 2 1

최하위 비트의 값이 0이냐 1이냐에 따라 두 가지로 구분이 되었습니다. 왼쪽의 경우가 직접 Shift 회수를 지정하는 방법으로, count 부분이 총 5 비트로서 그 값을 의미합니다. ARM7의 레지스터는 32비트이므로 5비트는 있어야 Shift 회수를 표현할 수 있겠지요.

그러면 Type은 뭘까요? 2비트인 Type의 의미는 다음과 같습니다.

00 : logical left (LSL)

01 : logical right (LSR)

10 : arithmetic right (ASR)

11 : rotate right (ROR)

그렇군요. 단순히 Shift라고 말씀드렸지만 실제로는 좌, 우, 부호의 여부와 Rotate까지 형식을 지정할 수가 있습니다. (무지 복잡해지는 듯한 느낌입니다.^^)

오른쪽에 레지스터를 지정하는 방식은, 1비트가 남아서 0으로 처리한 것만 제외하고는 별 문제가 없겠죠?

원래는 여기서 쉬프트 방식 4가지에 대한 설명이 뒤를 이어야 하겠지만. 이러다 보면 한도 끝도 없을 것 같네요.

2) Immediate Operand

강좌를 정리하려다 생각하니 Immediate Operand를 설명 안했군요. 여기까지는 해야할 것 같아서.

레지스터 오퍼랜드의 경우 총 12 비트 중에서 4비트는 레지스터를 지정하고, 나머지 8비트는 해당 레지스터 값을 Shift하는 방법을 지정하도록 되어 있었습니다.

Immediate 오퍼랜드는 몇 가지 문제가 있습니다. 32비트 레지스터에 값을 써넣고 싶은데 공간은 12비트 밖에는 없다는 것이지요. 8086등에서는 그냥 여러 바이트로 명령을 처리했었으니 그런 문제가 없었지만, ARM에서는 이것 때문에 모든 명령이 32비트라는 규칙을 깰 수는 없었겠지요. 다음은 구체적인 형태입니다.

+----------------------------------------------------------------+

| Rotate [11:8] | Imm [7:0] |

+----------------------------------------------------------------+

이전과 비슷한 모양이군요. 이번엔 Rotate 필드(4비트)가 있고, 또 8비트의 Imm필드가 있습니다. Imm은 말 그대로 Immediate Value를 넣는 공간입니다. 이 공간이 8비트라서, 결국 ARM7에서 어떤 상수 값을 레지스터로 전송하거나 할 경우 8비트까지는 아무런 문제가 없이 넣을 수 있습니다. 그러면 Rotate 필드의 하는 역할은 무엇일까요?

좀 복잡한데요... ARM7문서에는 다음과 같이 써 있습니다.

"Immediate Operand rotate 필드는 부호 없는 4비트 정수로서 8비트 Immediate 값에 Shift 오퍼레이션을 할 수 있도록 사용되는 값이다. rotate필드 *2 값만큼 8Bit Immediate Value 값을 Right Rotate 시킨다. 결국 8비트 값을 32비트로 확장시키는 역할을 하며 이를 통해 자주 사용되는 많은 상수들을 사용 가능하도록 한다."

8비트의 값이 ALU로 들어가기 전에 Shifter로 들어가면, 이미 32비트로 확장이 됩니다. 이후 그 값을 그냥 쓰면 8비트 영역만 표현할 수 있지만 Rotate필드 값을 * 2 한만큼 Rotate Right 시킨다 그랬으니, 어떤 변화가 생기겠죠?

오늘 분량이 좀 많았네요... 차근차근... 담에 또 말씀드리죠.. 뭐. 몇 가지 예를 들어 보이면서. 오늘 강좌를 정리할까 합니다.

ADDEQ r2,r4,r5 : 제로 플래그가 설정되어 있다면 r2=r4+r5

SUBS r4,r5,r7,LSR r2 : r4=r5-(r7>>r2) & effect CPSR

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ARM7 강좌 [9] : Instruction Set (3)

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지난번 강좌를 쓰고 나서 이것저것 생각을 해봤는데, 내용이 좀 어렵지 않았나 싶네요. 명령 코드를 가지고 접근하는 방식은 디지털 쪽의 기초 지식과 어셈블리에 대한 보편적인 지식을 갖고 접근하는 방법이어서, 혹 그런 기본지식이 없으신 분들에게는 딱딱하고 어렵게 느껴졌을지도 모른다는 생각을 혼자(?) 했습니다.

강좌에 대한 피드백이 없어서. 그냥 나름대로 생각하고 쓰고 있는데요. 이럴 경우엔 좀 어렵던지. 방향이 틀린 것 같다 라는 식의 의견을 들을 수 있다면 강좌의 방향을 정하는데 도움이 될 것 같다는 생각을 했습니다.

그간 강좌를 보시고 ARM에 관한 몇 가지 질문들을 주신 분들이 계신데요. 될 수 있으면 답변을 해드리려고 노력중이고, 또 그렇게 함으로써 보람도 느낄 수 있는 것 같습니다.

제 email 주소는 zartoven@secsm.org입니다. 강좌에 관련된 의견이나 질문이 있으신 분들은 해당 주소로 질문을 주세요. 제가 어떤 사람인지에 대해서도 말씀을 못 드렸는데, 모 전자회사에서 RTOS 업무를 담당하고 있습니다. 아직까지는 주로 pSOS 관련업무를 하고 있고요. 처음에는 pSOS관련 강좌를 운영해 볼까 생각도 해 봤지만, 과연 얼마나 많은 분들이 pSOS를 사용 하실지 의문이 들어서 포기했습니다. 관련해서 제가 알려드릴 부분이 있다면 아는 한도 내에서 최대한 노력해 보겠습니다.

오늘은 안하던 사설을 길게 늘어놓았군요. 아무래도 지난 강좌에 다루었던 내용이 좀 부실했던 것 같아서, 오늘은 좀 다른 접근 방식으로 명령에 대한 내용을 다루려고 합니다. 자, 그럼 시작하겠습니다.

오늘 다룰 내용은 주로 "The ARM RISC Chip. A Programmer's Guide"라는 책의 내용을 위주로 하겠습니다.

1) MOV{cond}{S} Rd,Op2

Assembler에서 가장 기본적으로 사용되는 데이터 전송명령입니다. 해당 명령은 8086에서의 MOV, Z80이나 196에서의 LD 명령과 같은 역할을 합니다. 다만 차이라면 ARM7에서의 MOV는 그 Target이 되는 부분이 항상 레지스터라는 점입니다.

예를 들어 8086에서는 MOV AX,[BX] 의 형태와 MOV AX, BX와 같은 명령의 형태를 같은 MOV명령을 통해 해결합니다만, ARM에서의 MOV는 후자의 것만을 의미합니다. 즉, 레지스터나 Immediate 값 같은 것들을 레지스터에 넣는 명령입니다.

전자의 경우와 같이 외부 메모리를 액세스하는 명령은 따로 있고, 분류 자체를 다르게 합니다.

제목에 써놓은 것은 MOV명령의 형식인데요. {cond}부분은 지난번 말씀드렸던 실행 조건을 제한하는 옵션입니다. ARM7에서는 모든 명령어에 해당 옵션을 적용시킬 수 있다고 말씀드렸습니다. 구체적으로는 EQ, NE, 등등의 2자 짜리 접미사 형태이고, 해당 조건에 맞도록 플래그 레지스터가 설정이 되어 있어야 MOV명령이 수행됩니다.

{S}옵션은 해당 명령의 결과가 플래그 레지스터에 영향을 미칠지 여부를 결정하는 옵션입니다. ARM에서의 MOV는 Data Processing 명령으로 분류되어 Rd에 들어가는 값에 따라 플래그 레지스터가 영향을 받을 수 있습니다.

하지만, 특별히 사용되는 경우가 있습니다. 좀 어려울지 모르겠지만, Target 레지스터가 PC인 경우 S옵션을 사용하면, Exception모드에서 보통 상태로 빠져 나오는 역할을 하게됩니다. 지금 다루기는 좀 그렇고요. 강좌의 마지막쯤 해서 한꺼번에 다시 다루겠습니다. 지금은 그러려니 하시길 바랍니다.

Rd는 Target이 되는 레지스터입니다. MOV명령의 Target은 항상 레지스터이어야 합니다. 물론 MOV 뿐만이 아니라 Data Processing 명령으로 분류된 모든 명령들(지난 강좌에서 언급했던)이 다 그렇습니다.

Op2는 MOV명령에 의해 Rd로 들어갈 내용을 가리키는 오퍼랜드입니다. 지난 강좌에서 이것저것 복잡하게 말씀드렸었는데요, Op2 부분에는 단순히 레지스터가 들어갈 수도 있고, 어떤 immediate값이 들어갈 수도 있고, 또 Shift 오퍼레이션을 가한 레지스터 내용이 들어갈 수도 있습니다. 예제를 통해 확인하시길 바랍니다.

Ex1) MOV r0,r1

: 단순히 r0:=r1을 하는 명령입니다.

Ex2) MOV r0,#0

: r0에 상수 0을 넣는 명령입니다. ARM에서는 196에서와 같이 상수에는 #을 붙여서 사용합니다. 또 진법 표현은 C에서의 방법을 사용합니다. 즉 MOV r0,#0x30 이런 식으로 사용할 수도 있습니다. 혹은 &를 붙여서 16진수를 나타낼 수도 있습니다.

Ex3) MOV r0,#0xfc000003

: r0에 상수 값 0xfc000003 을 넣는 명령입니다. 지난 강좌에서 말씀드렸지만 해당 값은 8비트 값 0xFF를 32비트로 확장하고 오른쪽으로 두 번 Rotate 시킨 값입니다. 그래서 에러가 나지 않는 것이지요.

Ex4) MOV r0,r1,LSL #1

: 이 명령은 r0:= r1 <<1 을 수행하는 명령입니다. LSL은 logical Shift Left를 의미하는 키워드이고, Op2 부분에 위와 같은 형식으로 올 수 있습니다.

Ex5) MOV r0,r1,LSR r2

: 이 명령은 r0:=r1 >> r2 에 해당하는 명령이고, LSR은 Logical Shift Right를 의미합니다.

Ex6) MOV r0,r0,ASR #24

: 이 명령은 r0:=r0 >> 24 를 의미합니다. ASR은 Arithmetic Shift Right를 의미하며 LSR과의 차이는 최 상위 비트가 1인 경우 새로 계속 해당 비트 값을 유지시킨다는 것입니다.

Ex7) MOVS r0,r1,LSR #1 : C(flag) := r1[0]

MOVCC r0, #10 : if C=0 then r0:=10

MOVCS r0, #11 : if C=1 then r0:=11

Ex8) MOVS r0,r4 : if r4=0 then r0=0

MOVNE r0,#1 : else r0=1

첫 번째 명령에서 r4값을 r0로 넣을 때 {S}옵션에 따라서 플래그 레지스터 값이 변화합니다. 다음 명령에서 NE 조건을 사용했기 때문에, 참고로 NE는 Not Equal, Z플래그가 0일 경우입니다., r4값이 0이었다면 NE는 False가 되어 두 번째 명령을 수행하지 않습니다. 결과적으로는 r0에 0이 들어간 셈이지요. 만약 r4가 0이 아니었다면 두 번째 명령이 수행되어서 r0에는 1이 들어갑니다.

오늘 강좌는 이것으로 정리하려 합니다. 다음에 뵙겠습니다.

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ARM7 강좌 [10] : Instruction Set(4)

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오늘 강좌에서는 Data Processing Instruction에 대해서 계속 이어나가도록 하겠습니다. 되도록이면 오늘 이 부분을 다 커버하고 싶습니다만 해봐야겠지요. 지난 강좌에서 다루었던 내용 중 오퍼랜드쪽 부분은 계속 겹치는 내용이므로 의문이 생기시면 이전 강좌로 돌아가서 확인해 보시길 바랍니다.

1) MVN{cond}{S} Rd,Op2

해당 명령은 Rd:=NOT Operand2 의 의미를 가진 명령입니다. 기존 어셈블러에서는 볼 수 없었던 낯선 명령이네요. 기능은 써 있듯이 MOV처럼 값을 넣기는 넣는데 NOT를 해서 넣는 명령입니다. 이런 명령이 왜 있는지에 대해서는 확실히 모르긴 몰라도, 아마도 ARM7에서 8비트Resolution Immediate 오퍼랜드만 다룰 수 있기 때문인 듯 합니다. 해당 명령으로 어느 정도 기능을 확장한다고 할까요?

바로 예제로 들어가겠습니다.

Ex1) MVN r0,#0 ; r0 := -1

: 사실 MVN의 용도로 위의 경우 밖에는 사용된걸 보지 못했습니다. 만약 MOV r0,#0xFFFFFFFF 이렇게 하면 에러가 발생합니다. 이것은 매번 설명 드리지만 ARM7의 모든 명령이 32비트 한 워드이고 Immediate 오퍼랜드처리를 8비트 값을 Rotate시키는 방식으로 사용하기 때문인데, MVN을 사용함으로서 해당 값을 넣을 수 있습니다.

다른 부분은 MOV와 동일하므로 그다지 이슈가 될 것이 없을 듯 하군요.

2) ADD{cond}{S} Rd, Rn, Op2

ADC{cond}{S} Rd, Rn, Op2

더하기 명령입니다. 8086과 큰 차이는 오퍼랜드를 3개 지정한다는 것입니다. Rd는 결과가 저장될 레지스터로, Data Processing 명령 모두는 그 결과가 레지스터(Rd)로 들어가야만 합니다. 첫 번째 Rd가 결과가 저장 될 레지스터이고, 나머지 두개가 서로 더해질 오퍼랜드입니다. 두개의 오퍼랜드 중 하나는 또 항상 레지스터여야만 합니다. Op2는 거듭 말씀드리지만 Shifted Register 혹은 Rotated Immediate Value 중 하나입니다.

ADD와 ADC는 널리 사용되는 대로 더하기, 더하는데 캐리플래그랑 같이 더하기 정도입니다.

Ex1) ADD r0,r0,#1 ; r0:=r0+1

Ex2) ADD r0,r1,r2 ; r0:=r1+r2

Ex3) ADDS r0,r1,r1, LSL #2 ; r0:=r1*5

: 위의 명령을 보면 ARM 명령어의 강력함을 알 수 있죠? 위에서 Rd는 r0, Rn은 r1, Op2 부분이 r1,LSL #2 입니다. r1값 더하기 r1을 두 번 쉬프트 한 값, 즉 r1*4값이므로 결과적으로는 *5가 되겠지요. S 옵션이 사용되었으므로 플래그 레지스터에 영향을 미칩니다. 그러면? 위의 1번 2번 예제는 수행하더라도 플래그 레지스터는 영향을 안받는다는 의미지요. 사용하기에 따라서 강력한 역할을 할 수 있을 듯 합니다.

Ex4) in C

int addints(int a,int b)

{

int c;

c=a+b;

return c;

}

in ARM7 Assembly

ADD r0,r0,r1 ; r0:=r0+r1

MOV pc,lr ; return

사실 인수 전달에 관련된 코드가 더 들어가지만, 코어부분은 대강 위와 같습니다.

3) SUB{cond}{S} Rd, Rn, Op2

SBC{cond}{S} Rd, Rn, Op2

RSB{cond}{S} Rd, Rn, Op2

RSC{cond}{S} Rd, Rn, Op2

위의 네 명령은 빼기 명령입니다. SUB와 SBC는 그런데로 알만 한데, R로 시작하는 두개가 더 있네요. R은 감수(?) 와 피감수를 바꾸는 역할을 합니다. 즉, SUB 명령이 Rd=Rn-Op2 라면 RSC는 Rd=Op2-Rn 입니다. 이런 명령이 왜 필요할 까요? 글쎄요. 우선 Op2가 Rn에 비해서 상대적으로 유연성이 좀더 많아서일까요? 어떻든... 개념은 어렵지 않습니다.

SBC와 RSC는 캐리플래그가 관련되어 있는 명령입니다. 그런데 명령 해석을 보면 다음과 같이 나와 있네요.

SBC Rd, Rn, Op2 = Rd=Rn-Op2+Carry-1

아마도 8086에서의 Carry와는 좀 다른 모양입니다. 뺄셈을 했을 때 자리 내림이 발생을 하면 Carry가 클리어 되는 구조이군요. 아마도 2의 보수 연산을 하기 때문인 듯 합니다. 즉 1을 빼고 싶은 경우 1의 2의 보수를 취해 더해주죠. 해당 값은 FFFFFFFF 이고, 대상이 0이 아니라면 더하기를 통해 Carry가 발생하겠군요. 근데 원래 하고자 했던 것이 뺄셈이었으니까... 피감수가 0인 경우에 Carry가 발생하지 않았고, 나머지의 경우에는 모두 Carry가 발생합니다. 기계적 사고방식에는 그게 맞나 봅니다.

어떻든 중요한 것은 뺄셈 연산을 통해 borrow가 발생한다면 Carry는 0이고 발생하지 않는다면 Carry는 1이 되는 것이죠. 따라서 SBC와 같은 명령에서는 Carry를 오히려 더해주고 다시 1을 빼 줌으로써 8086 등에서 사용되는 것과 동일한 효과를 얻게 되는군요.

Ex) 64Bit 뺄셈

SUBS r4,r0,r2

SBC r5,r1,r3

: 이렇게 하면 [r5:r4]=[r1:r0]-[r3:r2]가 되겠군요. {S}옵션에 주의하시길 바랍니다.

4) AND{cond}{S} Rd, Rn, Op2

EOR{cond}{S} Rd, Rn, Op2

ORR{cond}{S} Rd, Rn, Op2

: 이번에는 Bit연산에 관련된 명령어들입니다. AND는 그대로 AND, EOR은 XOR쯤으로, ORR은 OR로 생각하시면 됩니다. B명령을 제외하고는 웬만한 명령어는 모두 3글자인데, 그래서 ORR로 표기하는 듯합니다. 역시 오퍼랜드는 같은 의미입니다.

Ex1) AND r0,r0,#0xFF

: r0의 8비트만 남기는 명령입니다.

Ex2) ANDCSS r0,r1,r2,ASR r3

: 만약 캐리 플래그가 설정되어 있다면...(CS) r1 AND (r2>>r3) 정도를 하는데, 해당 명령의 결과가 플래그 레지스터에 영향을 미칩니다. ASR과 LSR의 차이는 ASR의 경우 최상위 비트가 1이라면 해당 비트는 계속 1로 유지를 하는 것이죠. LSR이라면 새로 들어오는 비트는 항상 0입니다. 이것은 음수를 2의 보수로 사용하는 시스템에서 필요한 방법입니다. 참 결과는 r0에 넣는군요.

Ex3) EORS r0,r0,r0

: 해당 명령을 수행하면 r0는 0이 될 것이고, N 플래그도 0이 되고 Z플래그는 1이 됩니다.

Ex4) MOV r0,#0xFF

ORR r0,r0,#0xFF00

: r0에 0xFFFF를 넣는 방법입니다.

5) BIC{cond}{S} Rd, Rn, Op2

: Rd := Rn AND (NOT Op2) 로 설명이 되어 있는 명령입니다. 별별 명령이 다 있다는 생각이 드는군요. AND하기 전에 NOT을 한번 해서 처리하는 명령입니다. 의미는 비트를 클리어 하는 것이고, Op2에 지정한 비트가 0으로 지워지는 결과가 나타납니다.

Ex) BIC r0,r1,#3

: r0 := r1 and 0xFFFFFFFC 의 의미입니다.

6) CMP{cond} Rn, Op2

CMN{cond} Rn, Op2

: 비교 명령입니다. MOV, MVN처럼 인수가 2개인데요, 이번에는 Rd가 빠졌습니다. CMP는 흔히 보던 그 CMP입니다. Rn에서 Op2를 빼 보는 명령이죠. 아시다시피 레지스터 값에는 영향을 미치지 않고 플래그에만 영향을 미칩니다. 그러고 보니 {S}옵션도 없네요. 이 명령들은 디폴트로 {S}를 준 효과가 나타납니다. (일설에는 어셈블러가 그렇게 해 준다고 하던데, 기계어 코드로는 S옵션을 꺼놓은 CMP도 가능하지 않을까 싶네요.)

CMN은 좀 새롭군요. 이 명령은 CMP가 빼기를 하는데 반해, 두 오퍼랜드를 더해 보는 명령입니다. 역시 생소한 개념인데요. 그럴 필요도 있을까요? 어떻든 CMP가 빼기를 해보는 거라면 CMN은 더하기를 해 보는 명령어랍니다.

Ex1) CMP r2,#23

MOVEQ r2,#45

: 만약 r2가 23이라면 45를 넣어라.

Ex2) CMP r0,#0

CMPEQ r1,#0

CMPEQ r2,#0

CMPEQ r3,#0

MOVEQ r4,#12

: r0부터 r3까지 모두 0이라면 r4에 12를 넣는 명령입니다. 참 재미있는 구조라고 생각됩니다.

Ex3) CMN r1,r2

MOVEQ r0,#0

MVNNE r0,#1

: r0 = ((r1+r2)==0) ? 0:-1;

위에서 조건부 명령의 강력함을 느낄 수 있나요? 아니라면 다음을 한번 보시죠.

in C

while (a!=b) {

if (a>b) a-=b;

else b-=a;

}

in ASM with no conditional Instruction

gcd CMP a,b

JZ end

JNZ less_than

SUB a,a,b

JMP gcd

less_than

SUB b,b,a

JMP gcd

end

...

※ ARM도 아니고 8086도 아니고, 명령어가 이상하게 되었네요. 대충 의미만 파악하시길.

in ARM7

gcd CMP a,b

SUBGT a,a,b

SUBLT b,b,a

BNE gcd

직접 보시고, 소감을.

7) TEQ{cond} Rn, Op2

TST{cond} Rn, Op2

: CMP와 거의 비슷한 구조를 갖는 명령입니다. 기능도 거의 유사합니다. CMP가 -, CMN이 + 라면, TEQ는 XOR, TST는 AND 연산을 통해 같은 일을 합니다. 하지만 특징이라면 Logical 연산이 일어날 경우 플래그 중에서 V 플래그(오버플로우 플래그)는 영향을 받지 않습니다. 이걸 잘 응용하면 다음과 같은 처리가 가능합니다.

Ex1) CMP r0,#31 ; test r0<=31 ?

TEQ r0,#127 ; test r0==127 ?

MOVLS r0,#'.' ; if either then r0='.'

Ex2) TST r1,#3 ; is r1 word aligned?

MOVEQ r0,#1 ; r0:=1 if so

MOVNE r0,#0 ; else r0:=0

지난번에 다루었던 MOV 명령까지를 합치면 총 16개의 명령을 설명 드렸습니다. 이로서 가장 비중이 큰(분량이 많은?) Data Processing 명령의 설명을 마쳤군요.

참고로 다루고 있는, 혹은 앞으로 다룰 명령의 종류는 다음과 같습니다.

(1) Branch 명령

(2) Data Processing 명령

(3) PSR Transfer 명령

(4) Multiply 명령

(5) Single Data Transfer 명령

(6) Block Data Transfer 명령

(7) Swap 명령

(8) SWI 명령

이밖에도 코프로세서 관련 명령이 있기는 하지만, 그 정도까지는 좀 무리인 듯 싶습니다.

위에 써 놓은 것을 보니 무척 많아 보이는데요, 막상 살펴보면 분류 당 1개~2개정도의 명령밖에는 없습니다.

자, 그럼 오늘 강좌는 여기에서 줄이겠습니다.

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ARM7 강좌 [11] : Instruction Set (5)

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● PSR Transfer 명령

기억하실지 모르겠지만 PSR이란 Program Status Register로서 플래그 비트와 Control 비트들로 구성된 레지스터입니다. 해당 레지스터의 값을 일반 레지스터로 옮기거나 반대의 일을 하는 명령이 PSR Transfer 명령입니다.

PSR은 32비트 레지스터입니다. CPSR과 SPSR 5개를 합쳐서 총 6개가 있습니다. 여기서 SPSR 은 Exception모드에 따라 여분으로 존재하는 PSR을 말합니다. 실행 모드에 따라서 User가 접근할 수 있는 PSR은 한 개, 혹은 2개로 제한됩니다. 예를 들어 User모드(보통모드)에서는 CPSR에만 접근 할 수 있고, IRQ모드에서는 CPSR과 SPSR_irq 에 접근할 수 있습니다.

여기서 잠깐 지난 강좌의 내용을 떠올려 보죠. CPSR이라고 함은 일반적인 플래그 레지스터라고 생각하시면 됩니다. 그런데, ARM7에서는 6개의 동작 모드가 있고, Exception(IRQ, FIQ, ABORT 등)에 의해 동작 모드가 전환됩니다. 각 동작모드에 따라서 몇몇 레지스터들이 교체되고, 이 덕분에 각 모드별로 스택을 따로 관리할 수 있는 기능이 제공됩니다. Exception Call에 따르는 수행번지 저장도 스택을 통해 하지 않고 r14(lr)을 통해 수행합니다. 플래그 레지스터 역시 Exception에 따라 스택에 저장하지 않아도 되도록 하는 기능을 제공해 주는데, 이런 역할을 하는 것이 SPSR 입니다. SPSR은 총 5개가 있습니다. User모드를 제외하고 나머지 5개의 동작 모드마다 하나씩 존재하는데요.

예를 들어 IRQ가 걸렸다고 하면, 우선 CPU동작모드 IRQ 모드로 바뀌고 이에 따라 r13_irq, r14_irq 로 레지스터 2개가 대치됩니다. 다음 r14_irq에 기존의 pc(r15)값을 저장합니다. 다음 지정된 벡터로 이동하겠죠. 이때 플래그레지스터, 즉 CPSR의 값도 보전할 필요가 있죠. 그래서 하는 일이 CPSR값을 pc와 비슷한 메커니즘으로 SPSR_irq로 넣어두는 것입니다. r13_irq와는 좀 차이가 있죠. r13과 같은 범용 레지스터들은 각 수행모드 별로 그 값이 계속 유지가 됩니다만, SPSR이나 r14는 Exception시에 기존 레지스터 값의 보관을 위해 사용되는 버퍼 역할을 합니다.

어떻든 간에... 오늘 설명할 명령어는 두가지입니다. 사실 그다지 쓰일 일은 없고, CPU동작모드를 임의로 설정하거나, 현재 동작모드를 확인하기 위해서 사용되는 경우가 있습니다.

1) MRS{cond} Rd,<psr> : Transfer PSR contents to a register

MSR{cond} <psr>,Rm : Transfer register contents to PSR

MSR{cond} <psrf>,Rm : Transfer register contents to PSR

flag bits only

MRS명령과 MSR명령의 의미가 헛갈릴 수 도 있는데요, M을 Move로, R을 레지스터로, S를 PSF로 파악하면, MRS의 경우엔 Move Reg,PSR이 정도로 생각할 수 있습니다. 즉, 레지스터에 PSR값을 넣는 명령이죠. MSR의 경우엔 반대로 생각 할 수 있습니다.

참고로 CPSR의 컨트롤비트를 바꾸면 CPU의 동작모드를 임의로 설정할 수 있습니다만, USER모드에서는 해당 기능을 사용할 수 없습니다.

Ex1) MSR CPSR_all,r0

: 해당 명령이 USER모드에서 수행되었다면 Control Bit들은 영향을 받지 않고 Flag Bits[31:28]만 영향을 받습니다.

만약 USER모드를 제외한 다른 모드에서 수행되었다면 CPSR의 모든 비트들이 변화하게 됩니다.

Ex2) MSR CPSR_flg,r0

: CPSR에 접미사 _flg를 붙여주어서 모드에 상관없이 Flag 비트들만 영향을 받도록 합니다.

Ex3) MRS r0,CPSR

: CPU동작모드에 상관없이 CPSR의 모든 비트들을 r0로 복사합니다.

Ex4) MSR SPSR_all,r0

: r0의 값을 SPSR의 모든 비트에 반영합니다. 해당 명령은 USER모드에서는 수행 불가능합니다. USER모드에서는 접근 가능한 SPSR 자체가 없기 때문입니다.

Ex5) MSR SPSR_flg,#0xC0000000

: SPSR의 N, Z플래그를 세트하고 C, V플래그를 클리어 하는 명령입니다. 위와 같이 MSR명령을 Flag비트에 제한을 두어 사용할 경우엔 Immediate 값을 사용할 수 있다고 합니다.

오늘 강좌는 간단하게 마치려고 합니다. 오랜만의 강좌라 기대를 많이 하신 분들이 혹(?) 계시다면 죄송하고요. 요즘 들어서 주변상황이 좀 어수선해서 조만간 다시 올리도록 하겠습니다.

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ARM7 강좌 [12] : Instruction Set (6)

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정말 오랜만에 강좌를 쓰는군요. 생활에 여유가 좀 있어서 강좌를 시작했는데 예상보다 강좌가 길어지고 더불어 점점 다른 일들이 생겨서 요즘에는 통 시간을 낼 수가 없었습니다. 혹, 강좌를 기다리신 분이 계시다면 죄송하다는 말씀을 드려야겠군요. 아무래도 강좌를 빨리 정리해야겠다는 생각이 듭니다. 자꾸 늘어지니까, 저도 부담스럽고, 읽으시는 분들에게도 폐를 끼치는 것 같아서.

남은 부분에 대해서는 최대한 핵심만 얘기하려 합니다.

사실 명령어 하나하나에 대해 하나하나 설명한다는 것이... 뭐 그다지 의미 있는 일 같지도 않고, 이쯤까지 왔다면 대충 어떤 명령어들이 있는지 파악하시고, 나중에 필요하실 때 데이터시트 찾아보시면 될 것 같아요.

정리를 해보자면, 이제 말씀드릴 명령은

곱하기 명령 (MUL,MLA),

데이터 전송 명령 (LDR, STR),

블록 데이터 전송명령 (LDM, STM),

기타 명령(SWP, SWI)

정도입니다. Coprocessor 명령은 생략하도록 하고, 명령이 끝나면 실전 케이스로 간단한 예제 설명을 하나 드리려고 하고, 마지막으로 StrongARM의 Spec 정도를 간단히 언급하겠습니다.

남은 부분이 앞으로 몇 번에 걸쳐서 매듭지어질지는 해봐야겠지만, 최대한 스피디한 진행을 하려 합니다.

차후에 기회가 되면 MMU 부분 같은 것들을 짧게 다룰 수도 있겠지요.

자, 이제 시작하겠습니다.

● 곱하기 명령(MUL, MLA)

ARM7에서의 곱하기 명령은 크게 두 종류가 있습니다. 하나는 그냥 곱하는 것이고, 다른 하나는 곱해서 더하는 것입니다. ^^ 명료하죠?

1) MUL{cond}{S} Rd,Rm,Rs

cond 부분은 해당 명령의 실행 조건입니다. S플래그는 결과가 플래그 레지스터에 영향을 미칠지의 여부라고 계속 말씀 드렸죠? 다음으로 레지스터 3개를 지정하도록 되어있는데, Rd는 결과가 저장될 레지스터이고, Rm과 Rs는 곱해질 두개의 레지스터입니다. 보셨듯이 이 명령에서는 레지스터만을 사용해야 합니다.

Ex) MUL R1,R2,R3 ; R1:=R2*R3

# 참고로 곱하기의 결과가 32비트를 넘는다면, 하위 32비트만 결과 레지스터에 남습니다.

2) MLA{cond}{S} Rd,Rm,Rs,Rn

위와 비슷합니다만, 이번에는 레지스터가 4개입니다. 단순 명료하게 의미를 말씀드리면,

Rd := Rm * Rs + Rn 의 의미입니다.

● Single Data Transfer (LDR, STR)

해당 명령은 레지스터와 외부 메모리와의 데이터 전송을 담당하는 명령입니다. 무척 사용빈도가 높은 명령입니다. 86에서는 MOV하나로 레지스터간의 데이터 전송과, 외부메모리와의 데이터 전송의 두 가지 목적으로 사용하지만, ARM7 에서는 구분이 되어있습니다.

즉, MOV명령은 레지스터간의 전송명령으로 분류도 데이터 처리명령으로 분류되고, 데이터 전송명령으로는 LDR과 STR이 있습니다.

여기에 사용되는 옵션이 많은데요, 우선, LDR은 로드라는 의미이므로 외부 메모리로부터 레지스터로 데이터를 읽어오는 명령이고, STR은 반대의 기능을 하는 명령입니다.

- 명령 형식

LDR{cond}{B} Rd, address{!} Rd:= contents of address

LDR{cond}{B} Rd, =expression Rd:= expression

STR{cond}{B} Rd, address{!} contents of address := Rd

LDR과 STR은 Single Data 전송 명령입니다. 비슷한 명령으로 LDM, STM은 여러 개의 레지스터 내용을 전송할 수 있는 명령입니다. 이밖에 SWP라는 스왑 명령이 있는데, 해당 5개의 명령만이 외부 메모리와 레지스터간의 전송을 가능하게 하는 명령입니다.

LDR과 STR의 경우 전송 단위를 바이트, 혹은 워드(32Bit)단위로 수행 할 수 있습니다. 바이트 단위 전송의 경우 해당 레지스터의 어떤 부분이 사용될지의 여부는 해당 프로세서의 Endian에 달려 있습니다. 또, 워드 전송 명령을 사용할 경우, 메모리 어드레스는 Word align이 되어야 합니다.

다음 표는 LDR과 STR에서 사용하는 전송 모드를 나타낸 것입니다.

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Mode Effective address Indexing

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[Rn] Rn none

[Rn,+- expression] Rn +- expression Pre-indexed

[Rn,+- Rm] Rn +- Rm Pre-indexed

[Rn,+- Rm, shift cnt] Rn+-(Rm shifted by cnt) Pre-indexed

[Rn],+-expression Rn Post-indexed

[Rn],+-Rm Rn Post-indexed

[Rn],+-Rm,shift cnt Rn Post-indexed

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# Rn : base 주소를 가지고 있는 레지스터

Rm : r15를 제외한 레지스터(Offset), 부호 값 사용

expression : -4095 - +4096 범위의 Immediate 값(12Bit)

shift : LSL, LSR, ASR, ROR, RRX

cnt : 1..31 사이의 값.

상당히 복잡한 내용입니다. 표에서 Mode 부분이 실제 어셈블러에서 사용하는 명령의 형식이라고 보시면 됩니다. 각 모드별로 예제를 들어서 설명하도록 하죠.

1) Pre-Indexed Addressing Mode

이 모드에서는 Rn을 베이스 주소로 사용합니다. 여기에 더해서 Offset을 지정하거나, 혹은 지정하지 않을 수 있습니다. Offset을 사용할 경우에는 해당 Offset을 베이스 주소에서 더하도록 하거나 뺄 수 있는데, 위의 표에서 +, - 기호가 그것을 의미합니다.

Offset은 부호가 있는 12Bit Immediate값을 사용하거나 레지스터를 지정해서 해당 레지스터의 내용으로 사용할 수 있습니다. 또한 레지스터를 Offset으로 사용하는 경우에는 Shift 시켜서 적용시킬 수 있습니다. 관련 내용을 다시 확인하고 싶으신 분들은 데이터 전송명령의 오퍼랜드 2에 대한 설명을 다시 확인하시길 바랍니다.

Ex) LDR r0,[r1] ; r1을 베이스로 사용하고 Offset은 지정하지 않는 형태입니다. r0에 r1을 번지로 하는 워드(4바이트)를 읽어드립니다.

LDR r0,[r1,#132] ; 이번에는 Offset으로 132를 지정한 형태입니다.

STR r0,[r1,r2] ; 베이스는 r1, Offset은 r2를 사용한 형태입니다. 즉

*(r1+r2)=r0 와 같은 의미.

LDR r0,[r1,r2,LSL #2] ; 베이스 r1, Offset은 r2<<2 의 형태.

이번에는 Write-Back 기능에 대해서 알아보겠습니다. LDR명령의 경우 옵션으로 Write-Back을 지정할 수 있는데, 지정할 경우 원래 베이스에 Offset을 더한 값을 다시 베이스 레지스터로 넣는 기능을 합니다. 제 생각에는 이 기능이 C에서 ++와 같은 의미라 생각되는데요. 글쎄, 쓰기 나름이겠지요. 다음은 예제입니다.

Ex)

1: LDR r0,=table_end

2: LDR r1,=table

3:

4: MOV r2,#0

5:loop STR r2,[r0,#-4]!

6:

7: ADD r2,r2,#1

8: CMP r0,r1

9: BNE loop

10:

11: ...

12:

13: ALIGN

14:table % table_length*4

15:table_end

예제가 좀 길군요. 주의해서 보실 부분은 5번 라인입니다. 해당 명령은 STR r2,[r0,#-4]! 이죠. r2를 r0를 베이스로 삼고 Offset으로 -4값을 사용했군요. r0가 가리키는 포인터가 실제 버퍼로 사용할 공간이 끝난 바로 다음을 가리키고 있으므로 -4를 하면 마지막 워드 엔트리 포인트가 됩니다. 그리고 주의하실 점은 !를 사용한 것인데요. 이것이 바로 Write-Back기능입니다. 위의 설명에 나와있듯이 베이스 값(여기서는 r0가 되겠군요.)을 갱신하는 것인데요...

예를 들어 1000번지부터 2개의 entry를 가정한다면, table은 1000이 될 것이고 table_end는 1008 번지가 될 것입니다. 이때 STR명령에서 1008을 베이스로 -4를 Offset으로 설정했으므로 실제로 r2값은 1004번지부터 4바이트에 기록이 될 것입니다. 이후 Write-Back 옵션이 적용되어 해당 명령이 끝나면 r0값은 1004로 (1008-4) 바뀌게 됩니다.

참, 여기서 Pre-Index Mode이기 때문에 실제 주소를 구할 때 Offset을 먼저 빼 주었군요. 아무쪼록 이해 하셨기를 바라며 다음으로 넘어가렵니다.

2) Post-Indexed Addressing Mode

Post인덱스 모드의 경우에는 Pre인덱스 모드에 비해 Effective Address는 항상 Rn, 즉 베이스 어드레스를 나타내는 레지스터의 값입니다. 그리고 한가지 주의하실 점은 Post인덱스 모드의 경우엔 따로 !를 사용 하지 않더라도 디폴트로 Write-Back 모드가 사용됩니다. 그렇겠죠? Post인데 Write-Back이 안된다면, Offset을 사용할 이유가 없군요.

Ex) LDR r0,[r1],r2 ; 대괄호의 사용이 Pre 인덱스의 경우와

다릅니다. 실제 수행되는 것은 r0에다

r1을 주소로 하여 값을 읽어오고 다시

r1에는 r2를 더해주는 일을 합니다.

STR r0,[r1],#20 ; [r1]:=r0, r1:=r1+20

1: LDR r0,=table

2: LDR r1,=table_end

3:

4: MOV r2,#0

5:loop STR r2,[r0], #4

6:

7: ADD r2,r2,#1

8: CMP r0,r1

9: BNE loop

10:

11: ...

12:

13: ALIGN

14:table % table_length*4

15:table_end

마지막 예제는 위에서 나왔던 예제와 비슷하니 잘 분석해 보시길 바랍니다.

3) Relative Addressing Mode

해당 Addressing 모드는 어셈블러가 적절히 지원하여 변환해 주는 모드라고 생각하시면 됩니다.

Ex) LDR r5,ThreeCubed

...

ThreeCubed DCD 27

위와 같은 경우 실제로는 LDR r5,[PC,#constant] 형태의 코드로 번역해 줍니다. 즉 PC를 베이스로 삼아서 코드를 만드는 것이지요. 만약 해당 Symbol이 지정하는 범위가 너무 커서 상수로 지정할 수 없다면 어셈블을 할 때 에러를 내게 됩니다.

또 많이 사용되는 표현으로 다음과 같은 표현이 있습니다.

Ex) LDR r0,=0x12345678

사실은 위의 예에서도 사용했었는데요. 이 경우 어셈블러가 해당 상수 값을 특정 공간에 모아서 삽입 해 주고 (이공간을 Literal Pool이라 하는군요) 역시 마찬가지로 PC를 베이스로 해서 명령코드를 만듭니다.

자.. 오늘은 이만 쓰렵니다. 사실 열두번째 강좌는 쓰기 시작한지 몇 주만에 끝내게 되는군요. 중간에 계속 일이 생겨서. 미뤄두고 있다가, 메일로 강좌를 재촉하시는 분들이 계셔서.

아무튼, 다음강좌에 뵙도록 하겠습니다.

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ARM7 강좌 [13] : Instruction Set (7)

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● Block Data Transfer 명령(LDM,STM)

해당 명령은 개인적인 생각으로 참 독특하다고 생각합니다. 지난 강좌에서 다루었던 LDR, STR과 마찬가지로 실제 메모리에 레지스터의 내용을 전달하거나, 전달받을 수 있는 명령입니다. ARM7에서는 이런 명령이 몇 안되죠...

LDR명령이 메모리 번지의 내용을 지정된 레지스터로 가져오는 명령이라면 LDM은 가져오긴 하는데, 여러 개의 레지스터의 내용을 한 큐에 가져오는 명령입니다. 가장 많이 사용되는 경우는 스택 연산인 것 같습니다. 전에 말씀드렸었지만, ARM7에는 Push, Pop 명령이 없습니다. 대신 LDR이나 STR을 쓸 수도 있겠고, 또 LDM이나 STM을 쓸 수도 있죠. 후자 쪽이 더 많이 사용되는 듯 합니다.

1) <LDM|STM>{cond}mode Rn{!},{reg_list}{^}

위 명령에서 {cond}는 늘 보아오던 명령어 실행 조건입니다. Rn은 전송에 사용될 베이스 번지를 지정하는 레지스터입니다. !를 붙이면 Wrte Back 기능이죠. LDR과 STR에서 다루었습니다. 자세한 내용은 뒤에서 언급하도록 하겠습니다.

{reg_list} 부분은 전송하거나 전송 받을 레지스터의 목록을 나타내는 부분입니다. 예를 들어 1000번지에 r1,r2,r3를 저장하고 싶다 했을 경우에, 일단 1000번지 값을 어떤 레지스터에 넣어두고, 여기서는 그 레지스터를 r13이라고 하죠, 그러면 Rn은 r13이 되는 거구요, {reg_list}는 {r1,r2,r3} 이 되는 것입니다. mode 라고 되어있는 부분은 여러 개의 레지스터를 메모리에 넣거나 가져올 때 어떤 방식으로 동작할 지를 지정하는 접미사입니다. 이 접미사 종류가 8가지가 있는데요.

무지하게 복잡해 보입니다. 일단은 각 요소의 의미만 간단하게 정리하고, 다음으로 넘어가죠.

마지막으로 {^}부분은... 글쎄요 잘 이해가 안되는 부분입니다만, 제가 보는 책과 데이터 시트에서 예제가 나와 있지 않군요. 그냥 문서의 내용을 그대로 적어보겠습니다.

{^} if present set S bit to load the CPSR along with the PC, or

force transfer of user bank when in privileged mode...(???)

자, 그럼 이제 본격적으로 설명에 들어가겠습니다.

먼저 1단계, LDM 과 STM의 의미입니다.

LDM : 베이스 레지스터(Rn)로 지정된 번지에서 레지스터 목록으로 지정된 각 레지스터의 내용을 읽어들이는 명령.

STM : LDM과 반대.

여기까지는 별 무리가 없으리라 생각합니다. 혹시 이 명령을 8086등에 있는 Block Data 전송명령 등과 혼동하지 않으시길 바랍니다. 어렴풋이 기억하는데, 8086등에는 메모리에서 메모리로 Block 전송을 할 수 있는 명령이 있죠... 또는 특정 길이만큼 메모리를 어떤 값으로 설정하는 Block 설정 명령도 있었던 듯 합니다.

ARM7의 LDM과 STM은 Block 전송이 아니라 Multiple Register 전송입니다.

쉽게 생각하면

push ax

push bx

push cx

push dx

가 8086형태라고 할 때, ARM7에서 Single 데이터 전송 명령을 사용하면

STR r0,[sp],#4

STR r1,[sp],#4

STR r3,[sp],#4

STR r4,[sp],#4

가 되겠고, 또 Multiple 전송명령을 사용하면,

STMEA sp!,{r0,r1,r2,r4}

제가 방금 적어본 것이라 맞는 것인지 확신은 없습니다만, 그냥 개념이 이렇다는 것만 파악하셨으면 합니다.

그러면 이제 2단계, {Reg_List}를 자세히 다루어 보죠. 위의 예에서 나와있듯이 중괄호 사이에 전송 대상이 되는 레지스터를 넣어주면 됩니다. 그렇다면 몇 개까지 가능한 것일까요? ARM7에서 한 시점에 사용할 수 있는 레지스터의 개수는 r0에서 r15까지 총 16개죠. LDM이나 STM명령에서 지정할 수 있는 레지스터의 개수는 최대 16개입니다. 즉, 한 명령으로 모든 레지스터를 저장하거나, 가져올 수 있다는 의미입니다.

참 재미있는 사실은, LDM명령의 니모닉상에 16비트의 공간이 있어서 각 비트가 레지스터 r0-r15와 1:1로 대응이 된다는 사실입니다. 따라서 {reg_list}에는 어떠한 레지스터의 조합도 올 수 있습니다. 감동 !

그리고 어셈블러의 문제겠지만, {r0,r2} 이런 형식뿐만 아니라, {r0-r5} 와 같은 형식, {r0-r3,r6-r7} 이런 형식도 사용할 수 있습니다.

마지막으로 확인할 것은, {r3,r2,r1} 이렇게 썼을 때와 {r1,r2,r3} 이렇게 썼을 경우, 메모리에 저장되는 순서가 다를까요. 아닐까요. 말씀드렸듯이 16비트의 비트필드가 존재해서 각각 레지스터와 1:1대응이 된다고 하였으니, 소스코드에서 어떤 형식을 쓰든지 간에 니모닉으로 변환될 때는 그 순서는 아무 의미가 없겠지요. 결국 같다는 말입니다.

자. 이번에는 3단계입니다. 동작 모드!!!

위의 STM명령에서 제가 STMEA라고 명령을 적었습니다. EA가 동작모드를 지정하는 부분입니다. 이와 같은 키워드가 8가지가 있고, 동작모드는 4가지가 있습니다.

먼저 4가지의 동작모드를 말씀드리겠습니다.

A) Post-Increment Addressing

여기서 동작모드는 여러 개의 레지스터 값을 메모리로(혹은 로부터) 전송할 경우 해당 메모리 번지를 증가시키면서 저장할지, 혹은 감소시키면서 저장할지를 지정하는 것과, 증/감을 하는데, 저장하기 전에 증/감을 할지, 아니면 저장하고 나서 증/감을 할지를 지정하는 것을 의미합니다.

처음 설명할 동작모드는 저장 이후 증가하는 방식입니다.

예를 들어 R10에 0x1000이 들어있다고 가정하고 R10을 베이스레지스터로 사용해서 {r1,r2}를 저장한다면, Post-Increment모드에서는,

1. 0x1000 번지에 r1이 저장된다.

2. Base 번지값이 0x1004로 증가한다.

3. 0x1004 번지에 r2가 저장된다.

4. Base 번지값은 0x1008로 증가한다.

만약 !를 사용했다면 r10의 값은 0x1008이 될 것입니다.

B) Pre-Increment Addressing

말 그대로 먼저 증가하고 다음에 저장하는 동작 모드입니다. 위와 같은 조건을 가정해 봅시다.

1. Base 번지값이 0x1004로 증가한다.

2. 0x1004번지에 r1이 저장된다.

3. Base 번지값이 0x1008로 증가한다.

4. 0x1008번지에 r2가 저장된다.

역시 !를 사용했다면 r10의 값은 0x1008이 됩니다.

C) Post-Decrement Addressing

이번에는 베이스 번지가 감소하는 경우죠. 좀 특이한 것은, 감소 모드로 저장(로드)을 할 경우 아까는 레지스터번호가 빠른 것부터 저장하거나 불러들였는데, 이번에는 거꾸로 라는 것입니다. 결과적으로, 메모리에 저장되는 레지스터의 순서는 항상 동일하다는 것이죠. 마찬가지로 같은 조건에서 예제를 들겠습니다.

1. 0x1000번지에 r2가 저장된다.(!!! r1이 아니라 r2)

2. Base번지값이 0x0FFC로 감소된다.

3. 0x0FFC번지에 r1이 저장된다.

4. Base번지값이 0x0FF8로 감소된다.

만약 !를 사용했다면 r10의 값은 0xFF8이 된다.

D) Pre-Decrement Addressing

1. Base번지값이 0x0FFC로 감소된다.

2. 0x0FFC번지에 r2가 저장된다.

3. Base번지값이 0x0FF8로 감소된다.

4. 0x0FF8번지에 r1이 저장된다.

만약 !를 사용했다면 r10의 값은 0xFF8이 된다.

여기까지 4개의 동작모드를 설명했습니다.

동작모드를 나타내는 키워드는 8개인데요. 각각의 동작모드에 대해서 스택처럼 사용할 경우, 혹은 아닐 경우 2가지로 나누어서 나타내기 때문입니다.

다음 표는 각 동작모드에 대한 명령어입니다.

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동작 Stack Other

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pre increment load LDMED LDMIB

post increment load LDMFD LDMIA

pre decrement load LDMEA LDMDB

post decrement load LDMFA LDMDA

pre increment store STMFA STMIB

post increment store STMEA STMIA

pre decrement store STMFD STMDB

post decrement store STMED STMDA

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Stack인 경우와 아닌 경우 키워드가 다른 것은, 단지 User의 편의를 위한 배려라고 생각됩니다. 즉, 키워드를 LDMED로 썼을 경우나 LDMIB로 썼을 경우, 동작상에 차이는 없는 듯 합니다.

키워드를 무작정 붙인 것 같지는 않고요. 먼저 Other의 키워드를 살피면, I는 increment를 의미하고요. D는 decrement겠죠. 그리고 B는 Before를, A는 After를 의미합니다.

그러므로 만약 LDMDA 는 post decrement 모드를 의미하는 것입니다.

Stack의 경우엔, E는 Empty를 F는 Full을 의미한답니다. 스택을 구현하는 경우 현재 sp가 가리키는 번지의 내용이 차있는지, 비어있는지를 의미한다고 보시면 될 듯 합니다. 무슨 이야기인가 하면 만약 Post 모드를 사용한다면, 스택을 구현할 경우, 어떤 내용을 넣고 다음에 번지를 증/감하므로 결국 어떤 시점에서 스택포인터가 가리키는 번지는 비어있게 됩니다. 이 경우 Empty가 되겠죠.

Load의 경우엔 Empty 형태의 스택이라면 sp가 가리키는 공간에 아무 내용도 없으므로 먼저 sp를 변화시키고 데이터를 가져와야겠죠. 그래서 Load는 Pre가 Empty 와 대응이 됩니다. 하지만 반대로 Store의 경우엔 Empty 형태의 스택을 위해서는 먼저 데이터를 넣고 sp를 변화시켜야 합니다. 그렇다면 post모드가 Empty와 대응이 되겠군요!

Full은 더 이상 말 안해도 되리라 믿습니다.

다음으로 D는 Decending, A는 Ascending을 의미합니다. 이것은 스택이 거꾸로 커지는지 아니면 반대인지와 관련이 있습니다. 8086에서는 Push를 하면 sp값이 작아지죠? 그렇다면 decending Stack이라고 볼 수 있습니다. push와 STM이 대응되므로 STM의 Decrement 모드는 D 라는 키워드를 사용했군요. Pop의 경우는 LDM과 대응되고 decending stack에서 Pop을 할 경우 sp값은 증가되어야겠죠. 그래서 LDM에서는 increment모드가 D입니다.

A는 반대이겠죠. 결국 스택관련 명령에서는 LDM이나 STM에서 같은 접미사를 사용하면 되는 것입니다. 물론 동작 방식은 LDM과 STM에서 각기 다르지만요.

자.. 이제 예제를 하나 보이고 오늘 강좌를 정리하려 합니다.

STMED sp!,{r0-r3,r14}

BL somewhere

LDMED sp!,{r0-r3,r15}

첫 번째 명령에 STMED는 Empty Decending Stack Operation이므로 실제로는 post-decrement 동작모드를 의미하죠.. sp(r13)가 가리키는 번지에 r0,r1,r3,r14를 저장합니다. BL로 이 루틴에 들어왔다면 r14에 복귀 번지가 들어가 있다는 것을 감안하십시요.

BL에서 뭔가 처리를 하고, 마지막으로 LDMED명령에서 레지스터를 복구합니다. 이번에는 pre-Increment 동작모드입니다.

한가지 주의하실 점은 r14대신에 r15로 복구를 시켰다는 것입니다. ARM7에서는 ret명령 대신 mov r15,r14를 사용한다고 말씀드렸죠.

LDMED 명령에서 레지스터 복구와 서브루틴 복귀를 동시에 처리하는 부분입니다.

자. 오늘 강좌는 이렇게 정리할까 합니다. 거의 1달만에 강좌를 썼군요. 그동안 메일이나 게시판을 통해서 질문과 격려를 보내주신 분들에게 죄송하다는 말씀을 드려야겠군요.

이제 강좌도 종반을 향해 달리고 있습니다. 아마도 2회 정도면 계획했던 모두가 끝이 날것 같군요. 다음 강좌를 기약하며 이만 줄이겠습니다.

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ARM7 강좌 [14] : Instruction Set(8)

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오늘 다룰 명령은 SWP와 SWI 두 가지입니다. Co-Process 명령을 제외하면 이 명령이 마지막이겠군요. 코프로세서는 다루지 않을 생각이니. 참 홀가분한 느낌입니다.

1. Single Data Swap : <SWP>{cond}{B} Rd,Rm,[Rn]

레지스터를 3개 지정하도록 되어 있습니다. 실제 동작은 Rd:=[Rn], [Rn]:=Rm이 한번에 일어나는 명령입니다. 여기서 한번이라는 말은 한 Clock을 의미하는 것이 아니라, 명령 도중에 인터럽트 등에 의해 중단되지 않고 계속 이루어진다는 것입니다. 그리고 B접미사는 계속 보아 왔듯이 워드 Operation이 아니라 Byte Operation을 의미합니다.

예제를 보죠.

SWP r0,r1,[r2]

; r0:=[r2], [r2]:=r1 입니다.

SWPB r2,r3,[r4]

; r2:=[r4], [r4]:=r3 입니다. 다만 B가 붙었으므로 Bit 0에서 7까지만 영향을 미칩니다.

SWPEQ r0,r0,[r1]

; Flag의 상태를 확인하여 r0와 [r1]의 내용을 바꾸는 형태입니다. 보셨듯이 Rd와 Rm이 같을 수도 있군요.

한가지 더 언급하고 싶은 것은 SWP를 세마포어 구현에 사용하는 방법입니다. 어떤 문서에선가 SWP명령이 세마포어를 구현하는데 유용하다고 읽었는데, 처음에는 이해가 안되더군요. 한참 뒤에 이해할 수 있었습니다.

인터럽트를 금지시키지 않고 Semaphore 연산을 할 수 있다는 것이 SWP명령의 강점입니다. 여기서 Semaphore를 설명 드리기는 좀 그러니, 간단히 핵심만 말씀드리고, 이해하실 분은 하시고, 안해도 별 수 없겠죠.

보통 세마포어의 p()연산을 구현하는 순서로, 먼저 세마포어 변수를 읽어오고, 다음에 비교를 하죠. 그 값이 0보다 크다면 감소를 시켜 다시 Write합니다. Test and Set 연산이라고도 하던데요.

SWP명령에 적용시키려면, [Rn]부분이 변수가 되어야겠군요. 그러면 Rd에는 SWP명령을 통해 세마포어 변수 값이 들어오고요, 물론 세마포어 변수의 상태를 알지 못하므로 어떤 값이 들어올지는 모릅니다. 따라서 이 단계에서는 세마포어 변수에 어떤 값을 다시 Write해야 할지도 모릅니다.

핵심은 변수에 Write되는 값을 무조건 0으로 설정한다는 것이죠. 즉.

r3가 Semaphore 변수의 주소를 가리키고 있다고 하고, r2의 값은 0이라고 한다면,

SWP r1,r2,[r3]

와 같은 명령으로 처리할 수 있습니다. 위의 명령을 통해 원래 세마포어 변수의 값이 r1으로 로드됩니다. 0보다 큰 지의 여부는 이제부터 비교해야겠지요. 한가지 특이한 것은 세마포어 값을 읽어옴과 동시에 0을 넣어주었다는 것입니다. SWP명령의 특성상 읽어오는 동작과 0을 넣는 동작 사이에는 인터럽트 등이 걸릴 수 없습니다.

이제, r1의 세마포어 값을 비교하는 부분으로 넘어가면 되는데, 이 와중에 인터럽트가 걸리고 다른 Task가 세마포어 변수를 Access하려고 하더라도 0이 들어 있으니 자연히 대기상태로 인식되어 더 이상 진행을 하지 못하게 될 것입니다.

이밖에도 v()연산에서도 뭔가 더 해주어야 하겠지만.

(괜한 얘기를 꺼냈나 하는 후회가 엄습하는 중입니다...^^)

2. Software Interrupt : SWI{cond} <expression>

SWI명령은 소프트웨어 인터럽트 명령입니다. 8086에는 INT 명령이 있죠? Exception 파트를 보시면 언급이 있었습니다.

SWI명령이 걸리면 동작모드가 변화합니다. Supervisor 상태로 진입을 하게 됩니다. 이런 특성 때문에 pSOS의 경우는 System Call의 진입방법으로 사용합니다.

명령의 형식을 보시면 <expression>부분이 있는데, 무슨 역할을 하는 것일까요? 8086계열처럼 INT 21H 또는 INT 10H 이런 식으로 인수를 주는 것일까요? 8086이야 Interrupt 벡터를 지정하는 것이었지만, ARM7에는 해당 Vector는 고정이 되어 있습니다.(Software Exception 한가지로)

CPU는 expression에 대한 아무런 일도 하지 않습니다. 실제 명령어 구조를 보면 총 32비트 중 상위 4비트는 조건 Flag에 사용되고, 다음 4비트가 모두 1111 이면 SWI명령으로 판단됩니다. 이후 24비트는 실제로는 무시되는 내용입니다만...

위와 같이 써주면 expression의 내용이 SWI명령의 Low 24Bit부분에 인코딩 됩니다. 하지만 말씀 드렸듯이 ARM7은 SWI명령의 Low 25Bit내용이 뭐든 간에 동일하게 동작합니다.

그럼 왜 그렇게 쓰는걸까요?

예제를 보면 SWI명령을 만나면 소프트웨어 Exception Handler로 이동하고 복귀번지는 r14_svc로 저장이 됩니다. 그런데 Handler 부분에서 복귀 번지를 이용하여 해당 명령을 직접 읽어다가 Low 24 Bit 부분을 인수로 해석해서 사용할 수 있는 것입니다.

물론 이런 일들은 ARM7이 해주는 것이 아니라 User가 Handler에서 직접 프로그램 하는 것이죠.

다음은 Handler 부분의 예제입니다.

STMFD r13,{r0-r2,r14}

LDR r0,[r14,#-4]

BIC r0,r0,#0xFF000000

...

위에서 보시면 결국 r0에 SWI명령의 low 24Bit가 얻어지죠.

오늘 강좌까지 길고 길었던 정말 길었던 ARM Instruction 부분을 끝냈습니다.

계획했던 분량은 3회였는데... 결국 8회 분량으로 늘어나고 말았군요. 이것저것 후회가 많았던 부분이었습니다. 이렇게 저렇게 숙제하듯이 여기까지 해치우고는...

다음엔 무엇을 써야 할지... 고민을 하게 되는군요.

뭐가 되었든 다음 강좌로 ARM7 강좌를 정리하겠습니다. (마음의 준비를...^^)

그럼 이만.

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ARM7 강좌 [15] : 최종회

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드디어 ARM7강좌 최종회를 쓰게 되었습니다. 제가 ARM7을 기준으로 강의를 해 왔지만, 실제로 사용했던 CPU는 StrongARM이었습니다. 그래서, 오늘은 StrongARM SA1100에 대해서 간단히 말해 보고자 합니다.(사실 별로 아는 것도 없지만..)

물론 자세한 Spec은 메뉴얼을 통해 살피시는 것이 더 정확할 테니까 제가 말씀드려봐야 별 의미가 없을 듯 하고.

그냥 StrongARM을 사용하면서 인상깊었던 점을 몇 가지 말씀드리고자 합니다.

첫 번째로 가장 중요한 점으로 생각되는 것은 CPU 동작속도가 200MHz정도까지를 지원한다는 점입니다. 이전에 접했던 Embedded CPU 가 빨라야 50MHz이었던 것을 감안한다면, 참 빠른 CPU입니다. 그런데 이 칩은 신기하게도 열이 별로 안난다는 것이 또한 인상적입니다.

보드를 몇 일씩 켜 놓아도 안정적이고, 불안하지가 않더군요. 옛날에 AMD188을 사용할 때에는 잠시만 켜 놓아도 보드가 녹아나는 것이 아닐지 얼마나 불안했던지 그만큼 전력 소모도 작다는 뜻이겠지요.

두 번째로는 LCD 컨트롤러가 내장되어 있어서 1024*1024의 해상도까지 지원하고, 컬러는 3만 컬러까지 지원합니다. 역시 일반 On-Board칩과 비교할 만한 일은 못되겠지만, 그런 칩만 다루었던 제게는 참 흐뭇한 일이었습니다. SA1100 보드에 640*480 TFT LCD가 달려있었는데, 거기에 고소영 사진을 띄워놓고 얼마나 흐뭇해했던지...^^

세 번째 인상 깊었던 것은 MMU 입니다. 학교 다닐 때 OS 수업시간에나 들어봤던 MMU라는 것을, 직접 프로그램 해야 했으니까요. 나중에 차차 알게된 사실이지만, 이 MMU가 있는지의 여부가 Linux와 같은 OS를 포팅 할 경우에는 무척 중요하다고 하군요. StrongARM의 경우는 Two-Level Virtual Memory를 지원합니다. 메모리를 최소 400H Byte단위로, 최대 1Mega Byte단위로 제어할 수 있습니다.

이밖에도 GPIO에서 Edge Detect Interrupt기능을 지원한다는 사실과, PCMCIA와 같은 각종 주변장치를 지원한다는 것 등.

StrongARM은 Embedded CPU 보다는 PC용 CPU에 근접 하다는 느낌이 들었고. 그럼에도 불구하고 낮은 전력소모 때문인지 Embedded용으로 많이 사용되고 있는 것 같습니다.

ARM7강좌를 하면서 개발환경에 대해서 궁금해하시는 분들이 계셨습니다.

"ARM7을 공부해 보고 싶은데 보드가 없다"... 라든가 하는 식의.

그렇게 보면 제가 운이 좋았던 것 같습니다. 회사에 정말 훌륭한 보드가 있었거든요.

물론 제품을 위해 사용되는 보드였기는 하지만... LCD와 Keyboard, 카메라

까지 달린 보드였고, 충분한 메모리와 Flash까지 있었으니까요...

사실 여전히 ARM을 공부하기 위한 보드를 찾기는 쉬운 일이 아닌 것 같더군요. 저도 언젠가는 StrongARM보드를 만들어 보리라 생각했었지만. 그게 그리 만만치 않은 일이었고. 앞으로도 가능할지는 모르겠습니다.

별로 할 말도 없으면서 강좌를 쓰려니 이상한 말만 나오는군요...

모두에게 감사한 마음과 죄송한 마음을 갖고 있습니다.

사실 시작할 때의 마음가짐을 끝가지 가지고 가지 못했던 것도.. 그렇고..

이렇게 강좌란에 허튼 소리를 쓰고 있는 것도 그렇고..

강좌를 해 오면서, 정말 많이 알고, 잘 하시는 분들이 참 많구나 하는 생각을 했습니다. 거기에 비하면 이제 막 공부를 하고 있는 제가 이런 강좌를 주제넘게 시작했구나 하는 후회도 들었고요. 부끄러운 생각도 많이 들었습니다.

그동안 관심을 가져주신 모든 분들께 다시 한번 감사 드리면서 ARM7 강좌를 이렇게 정리할까 합니다.

그럼 이만.