A4B38NVS Návrh vestavěných systémů ,2012, J. Fischer, katedra měření, ČVUT - FEL, Praha
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
1
Informace
Toto je grafický a heslovitý podkladový materiál určený pouze k přednášce A4B38NVS. Neobsahuje vlastní výklad, ani další informace, které jsou prezentovány při výkladu „křídou“ na tabuli, jeho čtení nenahrazuje účast na přednášce.
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
2
Náplň předmětu A4B38NVS - přednášky • •
• • • • • • •
HW návrh vestavěných systémů, komponenty a jejich využití, procesor jako součástka Logické obvody a jejich vlastnosti z hlediska spolupráce s mikrořad. (odběr, typové řady, rychlost z hlediska spolupráce s mikroprocesorem, spolupráce rychlých logických obvodů, vedení, odrazy, zemnění, rozvody napájení, blokování). Bloky komunikace s obsluhou (tlačítka, klávesnice, LED a LCD zobrazovače Mikrořadiče (Microcontroller) pro vestavěné systémy Obvody a periferie na čipu mikrořadičů (vstupy, výstupy, rozhraní SPI, I2C, I2S, USART převodníky A/D, převodníky D/A), Vnější periferie a jejich připojování (připojení vnějších řadičů – Ethernet,..) Vnější paměťové obvody a jejich připojování k mikroprocesoru Dohlížecí obvody a monitorovací obvody pro zajištění spolehlivé funkce vestavěného systému. Napájení – síťové napájení, bateriové napájení vestavěných systémů, stabilizace napájení
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
3
Náplň předmětu A4B38NVS - cvičení (práce samostatně -1 student) • Seznámení s IDE Keil pro ARM, pro STM32F100 • Konfigurace výstupních bran STM32F100, ovládání výstupů a LED, • Generování impulsního signálu, čtení tlačítka • Časovací jednotka (schodišťový automat) • Ovládací jednotka se 7- seg. LED, ovládání posuvného registru 74HCT595, (1. hodnocená úloha) + zpráva • Sériová komunikace, využití UART, komunikace s RS232, zobrazení dat na LCD a PC (terminál) (2. hodnocená úloha) + zpráva • Samostatný projekt: Návrh systému pro sběr dat a monitorování 3._hodnocená úloha, studie k projektu, návrh a realizace, závěrečná zpráva), (práce 1 stud., příp. skupina 2 st.) • Logické obvody CMOS- stat. parametry a jejich určení (skup. 2 stud.) • Logické obvody CMOS – dyn. parametry a jejich určení , buzení obvodu procesorem STM32, generování signálu o dané frekvenci (skup. 2 st.) Test v semestru – 9. týden společný termín - na přednášce (v míst. 340) A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
4
STM32VLDiscovery kit – používaný na cvičení STM32F100RB microcontroller, 32-bit ARM Cortex-M3 core 128 KB Flash, 8 KB RAM 64-pin LQFP STlink ( v1) STM32F103 – pouzdro 48 pinů, horní - ladicí procesor STM32F100 – pouzdro 64 pinů, dolní aplikační ( uživatelský) procesor
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
5
STM32F0Discovery kit STM32F051R8T6 microcontroller 32-bit ARM Cortex-M0 core 64 KB Flash, 8 KB RAM STlink / V2 + prototypová deska
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
9
Cvičení – poznámky Možno osadit – zapájet minimodul s STM32 a využít jej v projektu Ladění – „boot loader“, nebo pomocí SWD z kitu STM32VL Discovery Zapůjčení modulů STM32VLDiscovery, příp. i kont. pole na celý semestr Potřebné vybavení napájení + 5V ( např. z USB), příp. multimetr Minimum potřebného vybavení – PC s USB a nainstalovaným SW Keil, mini USB kabel, Vhodný doplněk - převodník USB na RS232 (dostupné např. v NC computers za 160 - 220 Kč, www.nc.cz, využitelné i pro práci s jinými mikroprocesory pro vestavěné systémy – pro funkci Boot Loader) kit STM32VL Discovery- obsahuje ladicí nástroj STlink kity: STM32F0Discovery, STM3Discovery, STM32F4Discovery, STM32LDiscovery – obsahuje ladicí nástroj STlink/V2 (novější)
Možnost využití pro ext. ladění
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
10
Hodnocení Účast na cvičeních povinná 1. + 2. hodnocená úloha (5 +5 b)., studie + samostatný projekt (5 +10), zprávy, nutno řešit i nebodované úlohy + zpráva samostatná práce studentů, uvedení případ. informačních zdrojů), plagiátorství – ne !!! Domácí příprava – studium zadání, příprava programů, vývojový diagram, schéma V laboratoři – odladění úlohy, využití přístrojového vybavení
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
11
ARM - historie ARM - RISC procesory původ – firma Acorn, výroba stolních počítačů později vývoj vlastního procesoru ARM1 v r. 1985, ARM1 - 25 000 tranzistorů, 3 um technologie 4 MHz hod. sig. ARM2 ARM 3 Založena nová firma - Advaced RISC Machines Ltd. (majet. účast Apple a Acorn) změna názvu architektury z „Acorn RISC Machine“ na „Advaced RISC Machine“ ARM 6 , procesor ARM610 pro PDA (Personal Digital Assistent) firmy Apple ARM7 v r. 1993, používán v PDA PSION firmy Acorn ARM7 TDMI doplnění ladicí rozhraní (D,I debug. interface) rozšířené možnosti násobičky (M) Thumb instrukční sada (T) - navíc 16- bitové instrukce ARM7 TDMI – nejlépe prodávaný procesor ( jádro) u ARM ARM – orientace na přenosná zařízení, mobilní telefony,… rozvoj A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
12
ARM - historie ARM7 TDMI – - architektura ARM v 4T ( pozor, trochu se plete) ARM7TDMI používán i ve formě „microcontroller“ – jednočipový mikropočítač firma Philips (nyní navazující NXP) LPC 2105 procesor ARM7TDI, Flash, RAM, periferie, řadič přerušení další firmy využívající ARM7TDMI: ATMEL, STMicroelectronics, Texas Instruments, Analog Devices,,…. chybí dobrá podpora a spolupráce - řadič přerušení - jádro Firma ARM – úprava architektury pro potřeby „embedded“ microcontrollerů Architektura ARM V7M Cortex , doplněn NVIC Nested Vectored Interrupt Controller ARM - Cortex M3 - architektura ARM v7M, náš procesor na cvičeních Architektura ARM v4T – ovlivnila ARM v7M, , (občas bude na ni odkaz při vysvětlování instrukcí)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
13
ARM ARM - RISC procesory (pojem RISC) ARM7TDMI 32- bitový procesor, data 32 bitová, (tedy registry 32 bitů) adresa 32 bitů, adresní prostor 232 = 4 GByte ARM instrukční kód konstantní délky 32 bitů v těchto 32 bitech uložen: kód vlastní instrukce, případně - registr, přímá data, adresa ? jak řešit do 32 bitů kód i adresu přímé adresování relativně s omezeným rozsahem adresování registrem v jedné instrukci – pouze jedna operace s pamětí aritmetické a logické operace pouze s registrem
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
14
ARM ARM7TDMI instrukční sada ARM - 32 bitů instrukční sada THUMB – 16 bitů (úsporný kód, větší omezení na přímá data či adresy) Přepínání módu, procesor běží buď: v módu ARM (vykonává instrukce ARM 32 - bitové) v módu THUM (vykonává instrukce THUMB 16 - bitové) instrukce ARM a THUMB není možno „míchat“, přesun do módu THUM skok na adresu, kde nejnižší bit adresy je A0=1 (kód instrukce je 16- bitový, tak reálná adresa má A0 =0, ale právě požadavek skoku na adresu s A0=1 signalizuje požadavek na skok a přepnutí do režimu THUM používají se instrukce BX Rn , kde registr Rn obsahuje požadovanou adresu s příslušně nastaveným bitem D0 = 0, nebo D0=1
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
15
Instrukční sada THUMB-2 v návaznosti na instrukce ARM ARM CORTEX-M3 instrukční sada THUMB-2 procesor je stále v režimu THUMB, avšak instrukční sada obsahuje 16 – bitové instrukce i 32 – bitové instruce. Vše dohromady je označeno jako THUMB-2 Protože je procesor stále v režimu THUMB-2 , musí být při požadavku skoku vždy nejnižší bit adresy A0= 1
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
16
Jádro ARM Cortex – M3 Firma ARM - nevyrábí vlastní procesory, pouze návrh jádra, Jádro v rámci licencí využívá mnoho výrobců (ST, NXP, TI, Atmel,..) ARM Cortex- M3 - definováno: vlastní jádro CPU řadič přerušení rozložení v adresním prostoru (kde- SRAM interní, externí, kde vnitřní sběrnice spolupráce s rozhraním pro ladění (debug) JTAG, SWD Výrobci individuálně doplňují paměti a různé periferie přístupné v daném adresním prostoru více na www.arm.com A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
17
Jádro ARM Cortex – M3 Volně dostupné materiály: Sadasivan S.: An Introduction to the ARM Cortex-M3 Processor (www.ARM.com) DUI 0552A_Cortex - M3 devices generic user Guide (www.ARM.com) DDI 0337E Cortex -M3 Revision: r1p1 Technical Reference Manual (www.ARM.com) DDI 0403 ARM v7-M Architecture Reference Manual (www.ARM.com dostupný po zaregistrování) (podrobný popis architektury ARMv7M do které spadá i ARM Cortex M3)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
19
Literatura
The Insider’s GuideTo The STM32 ARM®Based Microcontroller An Engineer’s Introduction To The STM32 Series www.hitex.com • Velmi zkrácený přehled architektury ARM Cortex M3 z hlediska, implemetace do STM32 • Přehledný zkrácený popis periferií STM32 • Doporučeno pro získání prvního přehledu k použití periferiíSTM32, následně detailní studium referenčního manuálu k STM32, • Insiders Guide - dobrý proto to, zjistit, co se má vlastně hledat v dalších podrobných manuálech
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
20
Pojem instrukce - Thumb - 2 ARM Cortex M3 návaznost na procesory ARM procesory ARM: 16 – bitové instrukce Thumb 32 – bitové instrukce ARM (přepínání v programu, jaká sada instrukcí se používá) ARM Cortex M3 - instrukce Thumb doplněné 32- bitovými instrukcemi sada označená jako Thumb 2, ARM Cortex M3 – používá sadu Thumb – 2 bez přepínání, Pokus o přepnutí do režimu instrukcí ARM (32 – bitových vyvolá chybu) 16 – bitové instrukce Thumb – omezené možnosti – např. ve vzdálenosti adresy pro skok
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
21
Registry ARM Cortex M3 R0 – R12 obecné registry Dolní registry (low reg.) R0 – R7 přístupné všemi instrukcemi s přístupem k registrům. Horní registry (high reg.) R8 – R12 přístup pouze 32 bitovými instrukcemi s přístupem k registrům
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
22
Registry R13 až R15 Stack pointer Registr R13 -Stack Pointer (SP) ukazatel zásobníku. R13 – dvě formy: • hlavní SP (SP main) • procesní SR (SP_process) Link register Registr R14 je užíván při volání podprogramů (subroutine Link Register - LR). Do LR se uloží návratová adresa z PC při instrukci při vykonání instrukcí Branch and Link (BL) or Branch and Link with Exchange (BLX). LR je využit také při návratu z obsluhy výjimky (exception return). R14 – možno obsluhovat jako obecný registr Programový čítač (Program counter - PC) registr R15 Bit [0] je vždy, takže instrukce jsou zarovnány na hranice slova (4 Byte) nebo poloviční slova (2 Byte). (pozor. adresa skoku Bit [0] = 1, viz Thumb mód) Stavový reg. programu (Program Status Registers xPSR) stavových registr příznaků (Flags)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
23
Příznakový registr, příznaky -
Příznaky - 1 indikuje aktivní stav N - negativní nebo menší než Z - Nula C - Carry/ Borrow – výpůjčka V - přetečení overflow Q - sticky saturation (při aritmetice se saturací) Využití příznaků – podmíněné vykonání instrukce, větvení programu (BZ, BEQ) konstrukce „if then else“
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
24
Adresový prostor ARM Cortex – M3,
4 GByte
-
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
25
Struktura proc. STM32F100 – použit v STM32VLDiscovery kitu
V/V brány v STM32 Standardní vstupně výstupní brány (ne + 5 V tolerantní)
Odhad chování pinu ( ne + 5V tolerantního) brány STM32f100x na základě podoby s chování vstupů 74HC04 poznatků z lab. úlohy Diskuse, možné důsledky nevhodného zapojení, důsledky - cvičení
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
27
STM32F100 IO brány vstup brány + 5 V tolerantní RM0041 str. 102
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
28
Tlačítko a LED na STM32VL Discovery Tlačítko – v klidu L, Pull down rezistor stisk – čte se 1 , viz manuál UM0919
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
29
Konfigurace brány STM32F100x Po reset – jsou V/V brány neaktivní (i při zápisu dat do výstupního registru brány se na výstupu nic neprojeví) Nejdříve - aktivace hodinového signálu pro výstupní bránu (viz demo příklad na cvičení – použití brány PC) LDR R0, =RCC_APB2ENR ; Kopie adresy RCC_APB2ENR (APB2 peripheral clock enable register) do R0 LDR R1, [R0] ; Nacteni stavu registru RCC_APB2ENR do R1 LDR R2, =0x10 ; Konstanta pro zapnuti hodin pro branu C ORR R1, R1, R2 ; Maskovani STR R1, [R0] ; Ulozeni nove hodnoty
Následně – nutnost konfigurace každého používaného pinu V/V brány zápisem do konfiguračního registru Zápis dat do výstupního registru brány se projeví na výstupu pouze u pinů konfigurovaných jako výstupy. (Poznámka: pokud výstupní nebo vstupní pin, či další perierie, nereagují na zápis dat, je třeba zkontrolovat, zda je přiveden hodinový signál a pin správně konfigurován!!!) A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
30
Umístění registrů str. 36 RM0041 umístění konf. reg. v adresním prostoru PA 0x4001 0800
PC 0x4001 1000
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
31
Registry V/V bran .
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
32
Registry V/V bran GPIO General Purpose Input Output GPIO_CR = GPIO - Control Register (4 bity na pin brány), celkem 16 pinů x 4 = 64 bitů rozděleno do dvou registrů GPIO_CRH a GPIO – CRL , GPIO_CRH contr. reg. pro horní polovinu prány Px [15 až 8] GPIO_CRH contr. reg. pro dolní polovinu prány Px [15 až 8] GPIO_IDR = - GPIO - Input Data Register čtení stavu pinů GPIO_ODR = - GPIO- Output Data Register výstupní datový registr GPIO_BSRR = - GPIO - Bit Set Reset Register (vybrané piny do 1 nebo 0) GPIO_BRR = - GPIO - Bit Reset Register (vybrané piny do 0) GPIOx_LCKR = GPIO - Port config. lock register (zablok. proti změnám stavu pinu až do reset proc.- využití. pro spoleh. syst. + výklad) bezpečnost technolog. sytémů, .. Pozor - zápis do výstupních pinů – možný pouze do pinů nakonfigurovaných jako výstupy a s přivedenými „hodinami“, (častá chyba ….) A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
33
Konfigurace bitů 7 až 0 (dolní Byte) – low
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
34
konfigurace bitů 15 až 8 (horní Byte) - high
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
35
Konfigurace jednoho pinu brány STM32F100 manuál RM0041 str. 103 4 bity pro konfig. jednoho bitu brány shodný způsob: STM32F103 STM32F105, 107 pouze odlišné adr. (další procesory STM32F050, STM32F407,.. odlišná konf.)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
36
Zápis dat do výstup. registru brány GPIOx_ODR (Output Dta Reg.) Tlačítko v kitu připojeno na PA0, LED na PC8, PC9
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
37
Ovládání jednotlivých bitů brány (set/ reset) GPIOx_BSRR Zápis 1 do B [31 až 16] nastavuje přísl. bit do 1 (set), 1 do B [15 až 0] nastavuje přísl. bit do 0 (reset), záp. 0 – nic nezmění zápis 0 – příslušný výst. bit se neovlivní (analog. - dva hřebeny proti sobě, vylom. zub.)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
38
Ovládání jednotlivých bitů brány – (reset) GPIOx_BRR Zápis 1 do B [15 až 0] nastavuje přísl. bit do 0 (RESET), zápis 0 do registru neaktivní – neovlivní stav výstupu
Vhodné
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
39
Čtení stavu registru vstupní brány - GPIOx_IDR ( input. data reg.) Pro čtení tlačítka na PA0
Vhodné
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
40
Určení adresy daného registru GPIOx Potřeba znát základní adresu periferie (brány) –z Tab. 1 na str. 36 offset pro příslušný registr z tab. 48 (str. 129) zákl. adr. pro GPIOC 0x4001 1000 zákl. adr. pro GPIOA 0x4001 0800 kontrol. reg. pro GPIOx_CRL pro bity 7 až 0 má offset 0x00 kontrol. reg. pro GPIPx_CRH pro bity 15 až 8 má offset 0x04 vstup. dat. reg. GPIOx_IDR offset 0x08 výst. dat. reg GPIOx_ODR offset 0x0C kontr. reg bit set/reset GPIOx_BSR offset 0x10 kontr. reg. bit reset GPIOx_BRR offset 0x14 0x40011000 GPIOC + offset 0x04 = 0x40011004 0x40011004 GPIOC_CRH (konfigurace PC15 až PC8) výstupní registr brány PC + offset pro GPIOx_ODR 0x40011000 GPIOC + offset 0x0C = 0x4001100C 0x4001100C GPIOC_ODR výstupní registr pro PC 0x400110808 GPIOA_IDR registr vstupní brány PA A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
41
Používané adresy – pro úvodní cvičení 0x4001 1004 GPIOC_CRH konfigurace PC15 až PC8 0x4001 100C GPIOC_ODR výstupní registr pro PC 0x400110808 GPIOA_IDR registr vstupní brány PA
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
42
Modifikace bitů slova v SRAM nebo výstupní brány Funkce – čtení modifikace bitů zápis (read modify write) do 1 OR 1 do 0 AND 0 v daném bitu, viz příklad na cvičení ? riziko – příchod přerušení v procesu čtení , modifikace a zápisu (read, modify, write), zákaz přerušení
Pro ovládání jednotlivých vybraných bitů brány STM32 jediným zápisem viz funkce set, reset
Adresování jednotlivých bitů pam. a vst/výst. metodou Bit Banding Možnost adresovat jediný bit v oblasti „bit banding“ zápisem celého slova (32 bitů) do oblasti bit band alias (analogie velké kl. + hrot. na bit) oblast 1MByte adres. prostoru bit band v paměti SRAM adresovaná jako 32 MByte v bit band alias oblast 1MByte bit band v prostoru I/O v STM32 adresovaná jako 32 MByte v bit band allias bit_word_addr = bit_band_base + (byte_offset x 32) + (bit_number × 4) Bit B(0) slova na adr. 0x2000 0000 odpovídá slovu (4 B) na adr. 0x2000 0000 Bit B(1) slova na adr. 0x2000 0000 odpovídá slovu (4 B) na adr. 0x2000 0004 mapování bitu B(2) ze slova v SRAM na adrese, 0x2000 0300 do oblasti alias : 0x2200 0000 (zač. B.B. Alias)+ (0x300*32) + (2*4) = 0x2200 6008 Zápis na adresu 0x2200 6008 má stejný efekt jako čtení,modifikace bitu a zápis bitu 2 z byte v SRAM na adrese 0x2000 0300. význam má nejnižší bit B(0) ze slova (32 bitů) Čtení z adr. 0x2200 6008 vrátí hodnotu (0x000 0001 nebo 0x0000 0000) podle stavu bitu 2 ze slova v SRAM na adr. 0x2000 0300
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
44
Adresování Bit Banding Bit banding – obr. dle Hitex: Insiders Guide …
celá vnitřní SRAM a periferie v STM32 - dosažitelné pomocí „Bit banding“
SRAM Bit band oblast (celkem 1 MByte)
Bit Band Alias
od 0x2000 0000 do 0x200F FFFF,
od 0x2200 0000 do 0x23FF FFFF
Periferie Bit band oblast (celkem 1 MByte)
Bit Band Alias (celkem 32 MByte)
od 0x4000 0000 do 0x400F FFFF
od 0x4200 000 do 0x43FF FFF
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
(celkem 32 MByte)
45
Adr.prostor ARM Cortex – M3 Bit banding, Bit band. alias -
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
46
Procesory s jádrem ARM, kódování instrukce Architektura ARM, postupný vývoj ARMv x Architektura ARM instrukce – kódování 32 bitové Kódování instrukcí ve strojovém kódu ARM je pouze v jednom slovu 32 bitů, procesor načte kompletní kód instrukce naráz Za kódem instrukce ARM nenásledují další informace o datech či adrese skoku (jako to je např. u procesoru 8051 jedno, dvou , tří bajtové instrukce,signálových procesorů ADSP Blackfin …a dalších) Všechny informace jsou součástí instrukčního kódu Instrukce operuje s jedním nebo více registry, V jedné instrukci je pouze jediný přístup k datům v paměti (není instrukce, kde by se dva operandy načítaly z paměti, nebo kde by se operand četl z paměti a do paměti by se ukládal)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
47
Procesory s jádrem ARM, instrukce skoku Dotaz? jak se řeší skoky, když adresní prostor je 32- bitový a současně se má celá instrukce kompletně zakódovat do 32 bitů? Skoky (kde je informace o cíli skoku součástí instrukčního kódu) jsou relativní (skok o danou vzdálenost dopředu, či dozadu – tato vzdálenost je součástí instruk. kódu) vzhledem k aktuální adrese právě čteného instrukčního kódu Relativní skoky – omezený rozsah skoku („omezená vzdálenost“) Dotaz? jak se řeší „delší“ skoky, když adresní prostor je 32- bitový a současně se má celá instrukce kompletně zakódovat do 32 bitů? Skok s větším rozsahem adresy (na „větší vzdálenost“) s využitím adresy předem uložené v registru (32 bitů) (Pozn.: u ARM – Cortex M3 musí být nejnižší bit adr. skoku uložené v registru = 1) Důvod – nejnižší bit adresy A0 = 1 signalizuje činnost v režimu Thumb)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
48
Instrukční sady ARM a THUMB Kódování instrukcí ve strojovém kódu ARM nebo THUMB pouze v jednom slovu 32 bitů, nebo jednom polovičním slovu (za kódem instrukce nenásledují další informace o datech či adrese skoku – jako to je např. u 8051,…jedno, dvou , tří bajtové instrukce) Pokud je potřeba v instrukci zadat adresu 32 bitů, není to součástí instrukce,ale použití pseudoinstrukce. Instrukce se odkazuje na další slovo v paměti vygenerované uložené překladačem.
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
49
Plnění reg. konstantou 32 bit , pseudoinstrukce LDR R0, = …. Pokud je potřeba v instrukci zadat adresu 32 bitů, není to součástí instrukce, ale použitím pseudoinstrukce. Instrukce se odkazuje na další slovo v pam. vygenerované (a uložené) překladačem.
LDR
R0, =RCC_CR ; toto je pseudoinstrukce
po překladu bude ve výpisu
0x08000130 4828
LDR
r0, [pc,#160] ; @0x0800 01D4
ulož do R0 hodnotu, která je umístěna v paměti na adrese, která se získá jako součet příští volné adresy (pro slovo 4 Byte) a čísla 160 dekadicky tato instrukce je uložena na adrese 0x0800 0130, další volná adresa (se zarovnáním na hranici 4 Byte) je od 0x0800 0130 + 4 = 0x0800 0134 s posunem 160 ( dekadicky)= 0xA0 ( hex.) tedy hledaná hodnota je umístěna na adrese 0x0800 0134 + 0xA0 = 0x0800 01D4 , což indikuje zápis adresy @0x0800 01D4 v protokolu o překladu (možno pozorovat v okně disass. IDE Keil) A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
50
PojmyBbyte, Halfword, Word z hlediska instrukcí ARM
Opakování názvosloví používané v dokumentaci ARM: Byte - 8 bitů 1B (jeden bajt) Halfword - 16 bitů 2 B (dva bajty) Word - 32 bitů 4 B (čtyři bajty) tedy instrukce ARM (a 32 bitová instrukce Thumb2) je kódovaná ve word instrukce Thumb je kódovaná v halfword (nejnižší byte kódu instrukce musí mít bit A(0) = 0 …“sudá adresa“)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
51
Instrukční sada THUMB-2 ARM CORTEX- M3, instrukční sada pouze Thumb- 2 obsahuje původní Thumb 16 bitové, doplněné 32 bitovými inst. nepodporuje sadu ARM Thumb efektivnější využití pam. programu, (také zrychlení při čtení z FLASH, čtení 32 bitů – dvě instrukce, vysvětlení později)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
52
Kódování instrukcí Thumb
příklad instrukce MOVS
MOV (immediate) s nastavením příznaků je inst. MOVS MOVS , # MOVS R0, # 0x0 se přeloží jako 2000 ( hex strojový kód)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
Instruction or instruction class Shift (immediate), add, subtract, move, and compare Data processing Special data instructions and branch and exchange Load from Literal Pool, see LDR (literal) Load/store single data item
Generate PC- relative address, see ADR Generate SP- relative address, see ADD (SP plus immediate) Miscellaneous 16-bit instructions Store multiple registers, see STM / STMIA / STMEA Load multiple registers, see LDM / LDMIA / LDMFD Conditional branch, and supervisor call Unconditional Branch
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
Instruction Logical Shift Left LSL (immediate) Logical Shift Right LSR (immediate) Arithmetic Shift Right ASR (immediate) Add register ADD (register) Subtract register SUB (register) Add 3-bit immediate ADD (immediate) Subtract 3-bit immediate SUB (immed.) Move MOV (immediate) Compare CMP (immediate) Add 8-bit immediate ADD (immediate) Subtract 8-bit immediate SUB (immediate)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
5 bitů „opcode“ umístěných do bitů D13 až D9 následuje za bity D15 =0, D14=0 pro MOV (immed.) 100xx bude kód instrukce 00 100xx x xxxx xxxx tedy 001 000 rrr iiii iiii rrr – kodování registru iiii iiii přímá 8-bitová data
55
Kódování Thumb, příklad instrukce MOVS
MOV (immediate) Thumb instrukce MOVS , # MOVS R0, # 0x0 se přeloží jako 2000 ( hex strojový kód) 5 bitů „opcode“ umístěných do bitů D13 až D9 následuje za bity D15 =0, D14=0 pro MOV (immed.) 100xx bude kód instrukce 001 00 xxx xxxx xxxx tedy 001 000 rrr iiii iiii rrr – kodování registru iiii iiii – přímá 8-bitová data
001 00 rrr iiii iiii tedy binárně 000 0000 0000 0000 i rrr – kodování registru (R0 je kódován jako 000 binárně) iiii iiii – přímá 8-bitová data proto není možno v Thumb instrukci uložit přímá data větší než 8 bitů,
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
56
Kódování – příklad určení strojního kód instrukce Thumb -2 32-bit Thumb – kódování instrukce
op1 musí být různé různé od 00, pokud je op1 = 00 (bin) – jedná se o 16 - bitovou instrukci Thumb tak ARM Cortex –M3 rozliší instrukce
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
57
Kódování – příklad určení strojního kód instrukce Thumb-2 op1 op2
Instruction class Load Multiple and Store Multiple Load/store dual or exclusive, table branch Data processing (shifted register) podle operandů Coprocessor instructions OP1 a OP2 Data processing (modified immediate) vznikne kód instrukce Data processing (plain binary immediate) použitelné i pro zpětný Branches and miscellaneous control překlad – Store single data item disassembling) Load byte, memory hints Load halfword, memory hints Load word UNDEFINED Data processing (register) Multiply, multiply accumulate, and absolute difference Long multiply, long multiply accumulate, and divide Coprocessor instructions
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
58
Kódování – příklad určení strojního kód instrukce Thumb -2 .
OP1, OP2, OP se doplní na příslušná místa kódu instrukce, 10
x0xxxxx
0
Data processing (modified immediate)
další bity představují kódování použitých registrů, podmínky a přímá data příklad LDR R0, =0x0 se přeloží do Thumb- 2 F04F 0000 (hex) (nalezne se v protokolu o překladu soubor xxx.LST) F 0 4 F 0 0 0 0 (hex) 1111 0000 0100 0000 0000 0000 0000 0000 bin)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
59
Instrukce MOV pro instrukce Thumb a Thumb - 2 op1 op2 op Instruction class MOV (immediate) MOVS ,# Thumb instrukce (dle jazyka UAL S. nast .-příznaky ( požadavek na Thumb, inst. která je pouze s nastavením příznaků, Thumb- 2 instrukce MOV{S}.W , # ( S nast. přízn.), cS instrukce má nastavit příznakové bity, .W chci kódovat do Thumb -2, 32 bit c- podmínky – vykonání ínstrukce podle příznak. bitů
Thumb- 2 MOV.W, #
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
60
Instrukce skoku 32- bit Thumb – kódování instrukce A 16-bit conditional branch instruction, with a branch range of –256 to +254 bytes. A 32-bit conditional branch instruction, with a branch range of approximately ± 1MB.
