ARM 어셈블리 프로그래밍 기초: 명령어 형식과 산술·논리 연산

4장 ARM Assembly Programming 개요

ARM Assembly의 기본 문법과 실제 프로그래밍에 필요한 명령어, Immediate operation, Shifted Register Operands, Addressing Mode, Branch, Subroutine 등을 다룬다.

ARM Assembly 기본 구조

[label] instruction [operands] [; comment]

• Label: 코드 라인에 이름을 붙여 jump target 지정
• Instruction: ARM mnemonic
• Operands: 주로 register, immediate, label
• Comment: ;로 시작

General Features

ARM Assembly의 일반적인 특징.

• Arithmetic, Logical Operations: ADD, SUB, AND, ORR 등
• ALU 연산은 register-to-register, 최대 3 operand

Suffixed Format

<instruction>{S}{cond} 형태. S는 flag update, cond는 conditional execution.

예: ADDEQS r0, r1, r2 → EQ 조건이 참일 때만 실행, flag 갱신

Simple Register Operands

• ADD r0, r1, r2: r0 = r1 + r2
• 3 operand 또는 2 operand form

Arithmetic Operation

• ADD, SUB, RSB (reverse subtract), ADC (add with carry), SBC, RSC
• 왜 RSB가 필요한지: ARM은 r0 = r1 - r2와 r0 = r2 - r1을 immediate 활용 시 모두 유용

Bitwise Logical Operation

• AND, ORR, EOR (XOR), BIC (bit clear = AND NOT)
• 예: BIC r0, r1, #0xFF → r1의 하위 8bit를 모두 0으로

Bit Shift Operation

• MOV, MVN (move NOT), shift 포함 가능

Comparison Operation (No destination)

• CMP (compare = SUB, flag만), CMN (compare negative = ADD, flag만)
• TST (test = AND, flag만), TEQ (test equal = EOR, flag만)

Immediate Operation

하나의 operand (뒤의 operand)는 상수로 올 수 있음 (#을 이용).

예: ADD r3, r3, #1, ADD r8, r7, #&ff

상수 설정 조건

ARM instruction은 32-bit 고정이라 immediate에는 12 bit 공간. Cond | opcode | 12bit(rn) | 4bit(r1) | 4bit | 4bit 12bit.

• 상수 범위: $0 \sim 2^{12} - 1$까지만 표현 가능
• 12-bit을 더 잘 사용하기 위해 (많이 사용하는 bit만) shift시켜 사용
• $(0 \sim 2^8 - 1) \times 2^{2n} = (0 \sim 2^8 - 1) \ll 2n$ — 8bit × non 4bit shift
• 4bit을 사용해서 $0 \leq n \leq 12$까지 표현
• Encode할 수 없는 값이면 Assembler가 경고

Shifted Register Operands

3 or 4 address instruction: 2번째 reg operand를 shift할 수 있기에 4 address I.

예: ADD r3, r2, r1, LSL #3 → r3 = r2 + 8*r1

• <<3은 8을 곱해준 것과 같음
• 곱셈기는 1 clock 안에 수행되지 않는 경우가 많음 → shift 연산을 수행하면 곱셈도 1 clock에 수행 가능 (ARM의 특징, 다른 프로세서는 별도 자원)

reg로 사용도 가능. 예: ADD r5, r5, r3, LSL r2 → r5 = r5 + r3 * 2^r2

Shift Mnemonics

• LSL(R): Logical shift left (Right)
• ASL(R): Arithmetic shift left (Right) → ASR의 경우 Sign-extension을 해줘 LSR과 결과가 다름
• ROR: Rotate right
• RRX: Carry도 합쳐서 Rotate

Setting Condition Code

각 Data processing I에 condition code suffix를 쓰면:

• S suffix condition code 결과가 CPSR에 반영

Multiplication

• MUL r0, r1, r2 → r0 = (r1 * r2)[31:0] (하위 32bit만)
• MLA r0, r1, r2, r3 → r0 = (r1 * r2 + r3)[31:0] (multiply accumulate)
• Multiply and accumulate: MLA r0, r1, r2, r3; MLAS (condition code 반영)

Data-Transfer Instruction (Load/Store)

Register를 메모리에 load/store.

• Single register load/store (LDR, STR): byte/halfword/word
• Multiple register load/store (LDM, STM): block transfer

Register Indirect Addressing

예: LDR r0, [r1] → r0 = mem[r1], STR r0, [r1] → mem[r1] = r0

Initializing an Address Pointer

Load from: Load from label; 현재 PC 기준.

Pointing label 1 and label 2

메모리 상의 labeled data에 pointer 설정 예제.

Single Register Load/Store I

Base with offset, pre/post indexed auto-increment 예제를 통해 구조 이해.

Base + Offset Addressing

• Pre-indexed addressing: LDR r1, [r0, #4] → r1 = mem[r0 + 4], r0 변경 X
• Pre-indexed with writeback: LDR r1, [r0, #4]! → r1 = mem[r0 + 4], r0 = r0 + 4
• Post-indexed: LDR r1, [r0], #4 → r1 = mem[r0], r0 = r0 + 4

Multiple Register Data Transfer

여러 register를 한 번에 load/store.

• LDM (Load Multiple): LDMIA r0!, {r1-r3} → r1 = mem[r0], r2 = mem[r0+4], r3 = mem[r0+8], r0 = r0 + 12
• STM (Store Multiple): 동일하게 저장

Addressing Mode

• IA (Increment After), IB (Increment Before), DA (Decrement After), DB (Decrement Before)
• Stack에서 쓰이는 경우: FD (Full Descending), FA, ED, EA

Stack Addressing

• Full stack (F): SP가 마지막 저장된 값을 가리킴
• Descending stack (D): stack이 낮은 주소로 성장

ARM은 표준 Full Descending (FD) stack을 사용.

Block Copy Addressing

LDMIA/STMIA 조합으로 메모리 block을 효율적으로 복사.

Block Copy Addressing Usage

• LDMIA r8!, {r0-r3}: Load Multiple Increment After (4개 레지스터에 load, r8 update)
• STMIA r9!, {r0-r3}: Store Multiple Increment After
• → Block copy loop 구조의 핵심

비슷하게:

• Full descending stack (STMFD/LDMFD): Stack push/pop
• Descending stack, full-empty check

Branch Instruction

• Unconditional jump: B label, BL label
• Conditional jump: BEQ label, BNE label 등

PC relative addressing, offset 24-bit → ±32MB 범위 jump 가능.

Branch Condition

Conditional Execution

일반적인 방법으로 branch 할 때 conditional execution을 사용한다.

if (r1 > r0) { r0 = r0 - 2; } else { r0 = r0 + 2; }

일반적 branch 사용 시:

CMP r0, r1
BGT ELSE
SUB r0, r0, #2
B END
ELSE:
ADD r0, r0, #2
END:

Conditional execution 사용 시:

CMP r0, r1
SUBLE r0, r0, #2   ; condition이 LE이면 실행
ADDGT r0, r0, #2   ; condition이 GT이면 실행

→ Branch를 없애 pipeline이 효율적. ARM 특유의 강력한 기능.

Branch and Link Instructions

Subroutine 수행 후 원래 코드로 돌아올 때 많이 사용.

• BL SUBR: Branch to SUBR with Link
• r14 = r15 - 4 (return address 저장) → PC에 LR을 복원
• B SUBR: Branch only (no link)

Nested Call일 경우

위와 같은 방법의 문제 발생 → r14를 stack에 push해줄 필요가 있음 (subroutine에서 subroutine을 call할 경우).

예:

BL SUB1         ; branch to SUB1, r14 ← △ (△는 현재 PC + #4)
                ; return to here
SUB1 STMFD r13!, {r0-r2, r14}  ; save work & link regs
     BL SUB2    ; r14 ← □
     ...
SUB2 ...

→ △을 다 덮어쓰기에 △로 돌아갈 방법이 없음!

해결 방법으로 STMFD I을 수행 → r14를 stack에 저장하고 덮어씀. Full Descending 방식. 나중에 stack에서 다시 꺼내서 돌아올 주소 가져옴.

Subroutine Return Instructions

SUB2 ...
     MOV pc, r14    ; copy r14 into r15 to return

BL SUB1
SUB1 STMFD r13!, {r0-r2, r14}   ; save work regs/link → stack에 r14 저장
     BL SUB2
     ...
     LDMFD r13!, {r0-r2, pc}    ; restore work regs/link → 나중에 r14에서 가져옴
     ; MOV PC, r14를 생략하기 위해 r14 대신 PC를 씀

Supervisor Calls (Privileged level에서 동작)

Supervisor: 특권 level에서 동작하는 프로그램, user level보다 높은 우선순위, system level I로 구현.

SWI (Software Interrupt)

특별한 subroutine을 call하는 I (call 한 device를 수행해야 하는지 확인하는 코드).

예: r0의 bottom Byte를 display로 보냄:

SWI SWI_WriteC    ; output r0[7:0] → r0의 하위 첫 Byte 출력 (User level program이
                  ; 모니터에 대한 제어권을 가짐)

• SWI SWI_Exit — return to monitor (제어권한을 Monitor로 돌려줌)