4. ARM 미장센 - ARM 제어의 구현

게시 2024/05/17

By Dukgukim

ⓐ ARM Assembly를 파헤쳐 보자 ADS vs GNU
ⓑ 대충의 초간단 Assembly와 Reverse Engineering
ⓒ ARM, Thumb mode와 S 접미사
ⓓ ARM과 Thumb 사이의 Veneer
ⓔ Inline Assembly와 INTLOCK의 구현
ⓕ Pipe line과 Exception 관계 그리고 ^접미사
ⓖ Exception Vector Table (EVT)과 각 Handler의 구현
ⓗ SWI 의 진실
ⓘ Coprocessor Assembly
ⓙ Bootloader와 Memory Budget (Mapfile) 어떻게 변수초기화를 할 것인가
ⓚ Reset Handler에서 main까지 (Entry Point)
ⓛ Scatter Loading과 Bootup - __user_initial_stackheap

ⓐ ARM Assembly를 파헤쳐 보자 ADS vs GNU

Assembly program 예제를 통해 어떻게 구성되는지 알아보기

Helloworld.s -----------------------------------------------------------------------

      CODE32
      AREA Helloworld CODE, READONLY
      ENTRY

BEGIN ; LABEL

      ADR r0, THUMB+1
      BX r0
      CODE16

THUMB ; LABEL

      ADR r1, TEXT

LOOP ; LABEL
      LDRB r0, [r1], #1
      CMP r0, #0  
      BLNE print_ch
      BNE LOOP
      B EXIT

TEXT = "Hello World ", 0 ; TEXT → LABEL

      END
----------------------------------------------------------------------------------

Hello World를 출력하는 예제

AREA
- Code의 모음을 하나의 AREA로 묶을 수 있음
- block의 속성. Code, Data, Readonly, ReadWrite 등을 지정
ENTRY
- AREA에서 첫 번째로 수행하는 위치
- CODE32/CODE16 : 32 bit ARM인지, 16bit Thumb code인지 알려주는 지시어
- LABEL : 사용자 지정 라벨. 심볼의 의미가 되어 주소가 됨.
END : 어셈블리 파일의 끝을 알림
함수 이름 PROC : 함수 시작
ENDP : 함수 끝
ALIGN : bit 수 만큼 컴파일러가 정렬함
EQU : C에서 #define과 같음
MACRO : MACRO로 시작해 MEND로 끝남.
ADS과 GNU 차이
- ARM사에서 내놓은 ADS, RVCT와 GNU에서 내놓은 ARM Compiler 사이에 Assembly Syntax grammer는 거의 같음

ⓑ 대충의 초간단 Assembly와 Reverse Engineering

기본적인 Assembly 명령어와 특징들, Syntax들
ARM assembly는 OP 코드 + Operand형식을 따름
Branch 명령어
- pc에 주소를 넣어, 프로그램 실행 번지를 바꾸는 역할. jump
Data Processing
- 대상 레지스터 rd에 사칙연산 및 이동 등을 수행
Load/ Store
- 대상 레지스터에 Memory 주소가 가리키는 곳의 값을 가져옴
의사 명령어
- 편의를 위해 Assembly에는 있지만, 실제 처리는 다른 방법으로 처리하는 명령어들
- LRD, ADR 등
SWAP 명령
- memory 영역ㅇ의 값과 register 값을 교환하는데 사용
PSR 명령
- CPSR, SPSR 두개와 일반 register 사이에 값을 서로 복사할 수 있는 명령어
SWI 명령
- 소프트웨어적으로 인터럽트를 발생시키는 명령어. 다른 모드로 전환 시 사용함
DCD directives
- Data를 위한 메모리 할당
EXPORT, IMPORT directive
- Assembly에서 사용된 Symbol을 외부에서 사용 가능하도록 하는 Directive
- Export, Import 등
FIELD와 MAP
- C에서 구조체 선언할때와 비슷한 용법으로 사용
덧붙임 명령어들 ! ^ S

ⓒ ARM, Thumb mode와 S 접미사

32bit ARM에서 돌아가는 16bit 기계어
- 16bit bus line을 가진 memory에서 효율적으로 사용할 수 있도록 32bit ARM 명령어를 16bit으로 압축한 것
  1. ARM mode는 Thumb mode보다 줄이 간략함
- 32bit 한줄로 수행 가능한 명령을, 16bit에서는 여러줄로 수행함
  1. 비교 구문의 차이
- Thumb는 CMP로 비교 후, 그 결과를 가지고 판단. ARM은 앞의 산술연산을 이용가능
  1. Stack 명령어가 다름
- ARM은 Multiple Register Transer 명령어, Thumb는 PUSH, POP으로 이루어짐

ⓓ ARM과 Thumb 사이의 Veneer

CPSR T bit가 1이냐 0이냐에 따라 ARM mode인지 Thumb 모드인지 달라짐
T bit 설정 대신 bx명령어를 통해 설정할 수도 있음
- bx 명령어에 jump 주소를 주는데, 그 주소가 홀수면 thumb 모드로, 짝수면 ARM mode로 세팅해줌
Veneer : Linker가 Link할 때 이런 코드들 사이를 interwking 할 수 있는 중간 Layer를 끼워 넣어줌
- 컴파일러가 자동으로 mode가 전환이 되는 코드를 넣어줌

ⓔ Inline Assembly와 INTLOCK의 구현

소프트웨어를 작성하면서 가끔 Assembly로 짜야하는 부분이 나올 때도 있음
- .s 파일을 만들어서, Assembler로 컴파일 후, 기존 C로 짜던 object와 link 거는법
- 혹은 간단한 Inline Assembly를 이용
Assembly가 필요한 경우
- Low Level을 직접 다룰 때, Coprocessor를 다뤄야할 때
- ARM을 직접 다룰 때, PSR를 다룰 때, Interrupt Lock을 걸고 싶을때
- Register를 직접 다룰 때
__asm으로 C파일에서 어셈블리 언어임을 알릴 수 있음
예시1) stack pointer를 가져올 수 있게 하는 함수

  
getsp.c ----------------------------------------------------------------
typedef unsigned long word;

word *get_StackPointer(word *stackPointer)  {  
	__asm
	{  
		mov stackPointer, sp;  // sp에서 stackPointer로 값을 복사
	}
	return;  
}
------------------------------------------------------------------------

예시2) CPSR를 만져서 Interrupt가 발생하지 않도록 하는 함수

  
intlock.c --------------------------------------------------------------------------

#define PSR_Irq_Mask 0x80  
#define PSR_Fiq_Mask 0x40  
#define PSR_INT_Mask 0xC0  
// FIQ, IRQ모두 BLOCK
// CPSR에서 IRQ mask 는 0x80, FIQ mask 는 0x40

void Interrupt_lock(void){  
	__asm
	{  
		mrs     a1, CPSR  
		orr     a2, a1, #PSR_INT_Mask  // a1과 interrupt bit field 를 OR해서 a2에 저장
		msr     CPSR_c, a2  // 
	}  
	return;  
}
-----------------------------------------------------------------------------------

Inline Assembly의 제약
- 의사 명령어인 LDR register ,= Expression과 ADR 형식 이용 불가
- 라벨 사용 불가
- BL, BLX 등의 branch 사용 불가
- Processor Mode나 Coprocessor의 상태를 바꿀 수 있으나, 컴파일러는 이를 알아채지 못함
- Thumb mode에서 inline된 어셈블리는 r0~r7만 접근 가능
- inline된 레지스터는 컴파일러가 stack에 저장하고 restore하는걸 자동으로 함

ⓕ Pipe line과 Exception 관계 그리고 ^접미사

예외 발생 시
- ARM 실행 모드로 전환
- Exception Vector로 PC branch
- CPSR은 SPSR에 저장
그러나 ARM Pipeline의 동작 때문에 복귀 주소 조정이 필요함
보통 PC는 현재 Execution보다 2단계 앞을 가리킴. fetch 해오는 곳을 가리키고 있음
ARM 파이프라인 동작을 보상하기 위해 복귀 주소 보정 수행
- Thumb 명령어들은 4byte가 아닌 2byte
PC_exception : 문제 발생 지점
PC_next_op : 바로 다음 실행 주소
Return Instruction : 예외 발생으로부터 어디로 돌아갈 것인지
ⓖ Exception Vector Table (EVT)과 각 Handler의 구현
Exception Vector Table의 실제 구현

; ADDRESS EXCEPTION MODE ON ENTRY
;----------------------------------------------------------------------------
; 0x00000000 Reset Supervisor
;----------------------------------------------------------------------------
; 0x00000004 Undefined Exception Undefined
;----------------------------------------------------------------------------
; 0x00000008 Software Interrupt Supervisor
;----------------------------------------------------------------------------
; 0x0000000C Abort (prefetch) Abort
;----------------------------------------------------------------------------
; 0x00000010 Abort (data) Abort
;----------------------------------------------------------------------------
; 0x00000014 Nothing Nothing
;----------------------------------------------------------------------------
; 0x00000018 IRQ IRQ
;----------------------------------------------------------------------------
; 0x0000001C FIQ FIQ

각각 32bit씩 차지. 각 주소별로 어디론가 branch하는 코드가 들어있음

AREA INIT_VECTOR, CODE, READONLY → INIT_VECTOR라는 부분 기억해 두세요. 
	CODE32 ; 	32 bit ARM instruction set. 
	ENTRY
	B Reset_Handler ; 0x0 
	B Undefined_Handler ; 0x4 
	B SWI_Handler ; 0x8 
	B Prefetch_Handler ; 0xC 
	B Abort_Handler ; 0x10 
	B Nothing_Handler ; 0x14 
	B IRQ_Handler ; 0x18 
	B FIQ_Handler ; 0x1C

이 테이블에 원하는 branch를 추가해 Undefined Interrupt도 작성 가능함
- 보통 다음 핸들러에 해당 내용들을 넣음
  1. Rest Handler
  2. undefined Handler
  - ARM Computing 파워가 모자를 때, coprocessor에게 작업을 수행하게 할 때도 사용 3. Prefetch Abort Handler
  - Debugging 용도의 code 삽입 4. Data abort Handler
  - Align을 강제로 맞춰서 원상복구하는 형태의 핸들러를 넣기도 함 5. FIQ, IRQ 6. SWI
각 핸들러마다 뭘 넣느냐는 개인 취향임

ⓗ SWI 의 진실

Hardware없이 인터럽트 거는 방법? Software Interrupt
그러나 SWI는 Interrupt가 아님!
- Software적으로, Exception을 거는 것.
다음과 같은 경우 사용
1. System Call(Kernel) : SVC mode로 진입하여 system mode 변경
2. Semi hosting
  - Target에서 I/O에 관련된 것들을 경로를 바꾸어, Debugger에서 실행하고 있는 Host System에서 수행하도록 할 때
  - ex) UART 로 message 발송하는 target routine을 UART가 아닌 Debugger로 target의 report를 직접 받을 수 있음
    - 추후 how to debug 장에서 다룰 예정
C에서 Software Interrput 거는 방법
- SWI {condition} 명령어 걸어주면, 예외 발생
  - SWI Exception vector(0x0008)번지로 branch
- SWI 뒤의 parameter로 condition switch걸어 여러 case 처리 가능
예시 1) SWI 호출

  
void SWI_OOOPS(){
	...
	SWI_Exception();
	...
}

SWI_Exception
	SWI 0x121212

SWI 0x121212를 만나는 순간 인터럽트 발생 후 Exception Vector로 branch
Handler 구현

SWI_Handler  
    STMFD sp!, {lr} ; 돌아갈 주소 저장  
    LDR r0, [lr, #-4] ; SWI 주소의 값을 가져옴.  
    BIC r0, r0, #0xFF000000 ; LSB 24bit 건져냄.  
    BL SWI_C_Handler ; r0에 넣었으니까, AAPCS에 의하여 첫번째 argument로  
    LDMFD sp!, {lr} ; 다 처리하고 왔으면 돌아가야지~

void SWI_C_Handler (int OPTion)  
{  
    switch(option)  
    {  
      case 0x123432:  
          UART_MESSAGE ("SWI 0x123432");  
      break ;  
      case 0x121212 :  
         LCD_MESSAGE ("SWI 0x121212");  
      break ;  
      case 0x654321:  
         USB_MESSAGE ("SWI 0x654321");  
      break ;  
     }  
}

ⓘ Coprocessor Assembly

Coprocessor : CPU의 기능을 보충하기 위해 사용하는 컴퓨터 프로세서
- 메인 CPU 프로세서에 집중된 작업들의 짐을 덜어 시스템 수행 속도를 빠르게 해줌
- 전용 레지스터를 통해 대화 가능
- Coprocessor Data 명령어
  1. Coprocessor의 내부 레지스터를 다룸 : CDP Coprocessor 번호, Coprocessor 내부 Reigster
  2. Coprocessor 내부의 레지스터들을 ARM register에 읽거나 쓰기 MCR R C
  3. Corprocessor 내부의 레지스터를 메모리에 직접 읽거나 쓰기

ⓙ Bootloader와 Memory Budget (Mapfile) 어떻게 변수초기화를 할 것인가

Bootloader
- Booting : 컴퓨터가 동작을 시작해서 정상적으로 사용하기 전까지의 과정.
- 부트로더는 하드웨어를 정상적으로 사용 가능하도록 초기화하고, 실제 동작이 가능하도록 ROM에서 RAM으로 OS를 싣는 것 -
보드 구성 시 MCP(Multichip Package)에 따라 달라지긴 하나
- ROM에는 code와 const data, RO, RW
- RAM에는 RW, ZI
RAM에 적재할 내용들을 ROM에 넣어둠
- 부트로더가 이를 이용해 적재
- NOR MCP에서는 RW, ZI를, NAND MCP에서는 RO,RW,ZI를 적재
Scatter Loading은 load view와 Execution view를 제공
- Load view는 FLASH에 어떻게 담겨있을 것이냐
- Execution view는 RAM에 어떻게 복사되어 실행될 것이냐를 의미함
Scatter Loading을 사용하지 않는 Default Memory Model에서의 bootloader의 copy 동작
- RO,RW,ZI를 어떻게 구분해서 RAM에 적재하는지
- linker가 Ro,RW,ZI 세개의 섹션에 대해 각각 시작과 끝주소를 symbol로 만듬
  - 이를 이용해 각 섹션에 access

ⓚ Reset Handler에서 main까지 (Entry Point)

ARM core의 임베디드 시스템에 전원을 넣으면, Reset Exception과 같은 의미
- SVC mode로 reset vector로 pc가 setting 됨
- 이후 Reset Handler로 branch
Hardware적인 설정
- 하드웨어적으로 자동으로 IRQ/FIQ disable이고, SVC로 이곳에 진입
- 기본적으로 사용되는 HW block들의 clock 설정
- 기본적인 MCU의 pin 설정
- MCU에서 bootup에 필요없는 HW block을 죽임
- Memory setting -> Memory Sizer(Bus width 등), wait state 등
Software적인 설정
- 각 mode 별 Stack setting
- RW에 RAM 복사. RO도 XIP가 SDRAM에서 이루어질 경우 복사
Reset Handler 마지막에 C함수로 건너뛰기 위한 main 호출이 있음
- 보통 __rt_entry라는 키워드로 호출함
사용자 코드의 C의 main()이 호출 되기 전, C library 의 __main과 __rt_entry가 먼저 호출됨
C lib __main : 실행 시, Memory Map을 세팅함.
__rt_entry : real time의 약자. C library 자체를 실행 가능하도록 해줌. C libary에서 사용하는 Stack과 Heap을 잡고, 라이브러리 함수와 내부의 static data를 초기화 하는 작업

ⓛ Scatter Loading과 Bootup - __user_initial_stackheap

Scatter Loading을 사용하게 되면, 컴파일러가 만들어주는 stack과 heap은 사용하지 않음
Scatter Loading을 사용하게 되면, 몇가지 심볼이 무시됨
- 컴파일러가 stack과 heap을 자동으로 만들어 낼 때는, 자신이 만든 심볼을 참조하지만, 이 심볼이 무시되어 에러가 발생
이를 위해 __user_initial_stackheap() 함수를 재정의 해줘야함
함수 원형

  
#include <rt_misc.h>
__value_in_regs struct __initial_stackheap
__user_initial_stackheap (unsigned R0, unsigned SP, unsigned R2, unsigned SL)

Scatter loading을 사용하고, RTOS를 사용하는 경우 다음과 같이 구현함

  
__value_in_regs struct __initial_stackheap
__user_initial_stackheap(unsigned R0, unsigned SP, unsigned R2, unsigned SL)  
{  
     return;  
}

initial stack과 heap을 만들어 주고 싶은 경우

  
char _initial_heap[0x2000];  
char _initial_stack[0x2000];

__value_in_regs struct __initial_stackheap

__user_initial_stackheap (unsigned r0, unsigned sp, unsigned r2, unsigned sl)  
{  
    struct __initial_stackheap config;

    config.heap_base = (unsigned)_initial_heap;  
    config.stack_base = (unsigned)_initial_stack + sizeof(_initial_stack) - 1;  
    config.heap_limit = (unsigned)_initial_heap + sizeof(_initial_heap) - 1;  
    config.stack_limit = (unsigned)_initial_stack;  
    return config;  
}

config라는 구조체에 넣어주면, lib이 알아서 init 해 줌
3장과 마찬가지로 어려운 파트가 많았음. 꼭 다시 복습할 것!

IT, Embedded

4. ARM 미장센 - ARM 제어의 구현

목차

ⓐ ARM Assembly를 파헤쳐 보자 ADS vs GNU

ⓑ 대충의 초간단 Assembly와 Reverse Engineering

ⓒ ARM, Thumb mode와 S 접미사

ⓓ ARM과 Thumb 사이의 Veneer

ⓔ Inline Assembly와 INTLOCK의 구현

ⓕ Pipe line과 Exception 관계 그리고 ^접미사

ⓖ Exception Vector Table (EVT)과 각 Handler의 구현

ⓗ SWI 의 진실

ⓘ Coprocessor Assembly

ⓙ Bootloader와 Memory Budget (Mapfile) 어떻게 변수초기화를 할 것인가

ⓚ Reset Handler에서 main까지 (Entry Point)

ⓛ Scatter Loading과 Bootup - __user_initial_stackheap

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