2 ARM Processor Fundamentals
다음은 ARM core의 dataflow를 나타낸 도식이다. load-store architecture의 특성상, 데이터 연산은 레지스터 내부에서만 수행된다.
register:
Rd(destination),Rm(operand1),Rn(operand2)sign extend: 8bit, 16bit 정수를 32bit로 부호 확장
ALU(Arithmetic Logic Unit), MAC(Multiplier-Accumulator) unit
-
레지스터 파일(register file) 내부는 32-bit 레지스터로 구성된다.
-
데이터 처리 명령은 결과를 Rd에, load/store 명령은 결과를 address register에 저장한다.
2.1 Registers
다음은 user mode에서 가용한 범용 레지스터(general purpose registers)를 표현한 그림이다.
notation: 'r' + 'register_number'
-
16개 data register, 2개 process status register(
cpsr,spsr)로 구성 -
r13,r14,r15
| 레지스터 | 용도 |
|---|---|
r13 |
stack pointer(sp) |
r14 |
link register(lr) |
r15 |
program counter(pc) |
link register: 함수(서브루틴) 호출 후 돌아올 리턴 주소 저장
Intel은 주로 리턴 주소를 스택에 저장하는데, ARM에서는 레지스터에 저장하여 더 빠른 수행이 가능하다.
2.2 Current Program Status Register
다음은 내부 동작을 관찰 및 제어하기 위한 current program status register(cpsr, 프로그램 상태 레지스터)를 나타낸 도식이다. (32-bit register)
총 4가지 필드(Flags, Status, Extension, Control)로 구성되며, 각 bit의 의미는 다음과 같다.
| Parts | Bits | Architectures | Description |
|---|---|---|---|
Mode |
4:0 | all | processor mode |
T |
5 | ARMv4T | Thumb state |
I, F |
7:6 | all | interrupt mask |
J |
24 | ARMv5TEJ | Jazelle state |
Q |
27 | ARMv5TE | condition flag(saturation) |
V |
28 | all | condition flag(overflow) |
C |
29 | all | condition flag(carry) |
Z |
30 | all | condition flag(zero) |
N |
31 | all | condition flag(negative) |
2.2.1 Processor Modes
이때, processor mode에 따라서, 레지스터 파일에 대한 접근 권한이 결정된다.
| 종류 | 설명 | 특이사항 |
|---|---|---|
| privilege(특권) | - cpsr 전체 읽기/쓰기 가능 | 6가지 종류 존재(abort, fast interrupt request, interrupt request, supervisor, system, undefined) |
| non-privilege(비특권) | - cpsr Control 필드 읽기 가능 - Condition flags 읽기/쓰기 가능 |
1가지 존재(user) |
다음은 프로세서 모드에 대응되는 약자와, Mode 필드 값을 정리한 표이다.
| 모드 | 설명 | 약자 | privilged | Mode[4:0] |
|---|---|---|---|---|
| Abort | 메모리 접근 실패 | abt |
O | 10111 |
| Fast interrupt request | 인터럽트 수준에 따라 진입 | fiq |
O | 10001 |
| Interrupt request | 인터럽트 수준에 따라 진입 | irq |
O | 10010 |
| Supervisor | 리셋 시 진입, OS 커널 동작 모드 | svc |
O | 10011 |
| System | cpsr 완전 쓰기 가능한 특별한 user 모드 | sys |
O | 11111 |
| Undefined | 정의되지 않은 명령어 | und |
O | 11011 |
| User | 사용자 모드 | usr |
X | 10000 |
2.2.2 Banked Registers
레지스터 파일은 37개 레지스터를 가지며, 여기서 특정 모드에서만 접근이 가능한 20개 레지스터를 banked register라고 지칭한다.
- (system 모드를 제외한) 모든 프로세서 모드의 레지스터 수 = 16개 범용 레지스터 + banked 레지스터
abort 모드:
r13_abt,r14_abt,spsr_abt
banked 레지스터는 user 모드 레지스터와 일대일 대응되며, 모드 변경 시 해당 레지스터가 기존 레지스터를 대체한다.
예를 들어, interrupt request 모드에서는 r13, r14 레지스터에 접근하면, banked register인 r13_irq, r14_irq에 접근한다.
-
사용자 모드의
r13_usr,r14_usr는 영향을 받지 않는다. -
r0~r12: 정상적으로 접근 가능
fast interrupt request: 주로 자주 불리는 인터럽트에 해당된다. 범용 레지스터를 더 할당하여 메모리 접근을 최소화한다.
2.2.3 Mode Change
모드 변환은 cpsr 대상으로 한 write, 혹은 하드웨어(exception, interrupt)에 의해 발생한다. 다음은 user 모드에서 interrupt request 모드 변환 시 레지스터를 나타낸 도식이다.
r13,r14:r13_irq,r14_irq로 대체
각각 interrupt request 모드의
sp,lr를 담는다.
spsr_irq: user 모드의 cpsr를 백업
interrupt request 모드에 진입하기 전 cpsr을 저장한다.
2.2.4 State and Instruction Sets
ARM 코어는 ARM(32 bit), Thumb(16 bit), Jazelle(8 bit) 3가지 상태 및 명령어 집합을 지원한다.
JAVA
.class파일은, 명령어를 1byte 단위로 저장한다.
| ARM | Thumb | Jazelle | |
|---|---|---|---|
| Instruction size | 32 bits | 16 bits | 8 bits (bytecode) |
| Control | cpsr T = 0, J = 0 |
cpsr T = 1 |
cpsr T = 0, J = 1 |
임베디드 시스템에서, JAVA를 사용할 수 있는 이유에 해당되며, JVM(Java Virtual Machine)은 여전히 필요하지만 빠르게 수행이 가능하다.
Jazelle: 60% 정도의 Java bytecode만 HW에서 지원하므로 주의해야 한다.(나머지는 SW 수준에서 구현 필요)
2.2.5 Interrupt Masks
ARM에서는 IRQ(Interrupt Request), FIQ(Fast Interrupt Request) 2가지 인터럽트를 지원한다.
인터럽트 마스크(interrupt mask)는 특정한 인터럽트의 발생을 중단시키기 위해 사용된다.
-
cpsr의 7번째 bit(
I), 6번째 bit(F)에 관여한다. -
해당 bit의 값이 1이면 인터럽트 발생을 중단시킨다.
2.2.6 Condition Flag
다음은 조건 플래그가 표현할 수 있는 상태를 기록한 도표이다.
| 플래그 | 이름 | 설정 조건 |
|---|---|---|
N |
Negative | 결과가 음수일 때 |
Z |
Zero | 결과가 0일 때 |
C |
Carry | unsigned overflow 발생 시 |
V |
oVerflow | signed overflow 발생 시 |
Q |
Saturation | overflow 혹은 saturation 발생 시 |
다음은 cpsr 플래그 예시이다.
회색: reserved 영역
- C(Carry) bit 세트, ARM 상태, IRQ 비활성화, supervisor(SVC) 모드
2.2.7 Conditional Execution
conditional execution(조건부 실행)은, 명령의 condition attribute와 cpsr의 조건 플래그를 비교하고, 일치할 경우 명령을 수행한다.
-
adds처럼 명령어 뒤에s(suffix)를 붙이면 flag가 업데이트된다. -
flag는 한번 켜지면 다시 끄지 않는 이상 상태를 유지한다. (sticky)
on: 대문자, off: 소문자
| Mnemonic | Name | Condition flag |
|---|---|---|
EQ |
equal | Z |
NE |
not equal | z |
CS HS |
carry set/unsigned higher or same | C |
CC LO |
carry clear/unsigned lower | C |
MI |
minus/negative | N |
PL |
plus/positive or zero | n |
VS |
overflow | V |
VC |
no overflow | v |
HI |
unsigned higher | zC |
LS |
unsigned lower or same | Z or c |
GE |
signed greater or equal | NV or nv |
LT |
signed less than | Nv or nV |
GT |
signed greater than | NzV or nzv |
LE |
signed less than or equal | Z or Nv or nV |
AL |
always(unconditional) | ignored |