Embedded Recipes_2_ARM을 파헤쳐 보자

ARM (Advanced RISC machine)
CISC(complex instruction set computer)
Micro programming 방식 : 기계어 하나를 실행하기 위해 많은 양의 작은 micro instruction들이 숨어서 실행
RISC(Reduced Instruction set computer)
Hard wired 방식 : 기계어 한줄을 실행하기 위하여, 그에 해당하는 노리회로를 구성하여 구현하는 방식.

CISC vs RISC

CISC (Complex Instruction Set Computer)

하나의 명령어당 최대한 많은 작업을 수행

명령어의 길이가 가변적
복잡한 기능이 많은 명령어로 구성된 프로세서
복합 명령을 가짐으로써 하위 호환성을 충분히 확보
전력소모가 큼, 속도가 느리고 가격이 비쌈
호환성이 절대적으로 필요한 PC 환경에서 사용

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

명령어 하나당 하나의 연산만을 수행

명령어의 길이가 고정적
하드웨어가 간단한 대신, 소프트웨어가 복잡함.
전력소모가 적음, 속도가 빠르고 가격이 저렴
하위 호환을 위해 에뮬레이션 방식을 채택, 호환성 부족

ARM mode and Thumb mode

Thumb mode

Thumb mode는 ARM mode의 반쪽으로 볼 수 있다.
처음 32 bit ARM가 나왔을 때, 임베디드 시스템 메모리는 16비트 data line을 가진 메모리가 주 였다. 따라서 32 bit 코어라해도, 메모리를 효율적으로 사용하기 위해서는 16비트 처리가 필요하다.

ARM의 동작 mode

User (USR) : Normal Program execution mode
System (SYS) : Run privileged operating system tasks
Fast Interrupt Request (FIQ) : When a high priority (fast) interrupt is raised
Interrupt Request (IRQ) : When a low priority (normal) interrupt is raised
Supervisor (SVC) : A protected mode for the operatng system, entered when a SWI instruction is exectued
Abort (ABT) : Used to handle memory access violations
Undef (UND) : Used to handle undefined instructions

USR은 Application program을 실행하는 모드.
SYS는 USR와 비슷하지만, 특권을 가지고 있다는 차이가 있음.
SVC는 SWI 명령이 발생하면 전환된다. 대부분의 시스템 자원을 자유롭게 관리할 수 있는 모드.

Privileged Mode vs Normal mode

USR을 제외한 모든 모드는 특권 모드이다.

특권 모드는 IRQ, FIQ등의 인터럽트의 사용 가능 유무를 직접 설정 할 수 있다.
특권 모드는 서로 모드 변경이 자유롭게 가능하지만, 일반 모드에서 특권 모드의 변경은 불가능 하다.
ARM의 기본적인 mode는 SVC모드이다. 부팅시 ARM에 대한 모든 권한을 행사하기 위함.

ARM Register

ARM core는 모드가 바뀌면서 사용하는 레지스터 셋도 바뀐다.

모든 모드가 공유하는 레지스터는 CPSR, PC, R0~R7

특별한 용도의 레지스터

CPSR : Current Program Status Register

NZCV : 연산 후 결과 값에 따라 set 됨.
IF : IRQ나 FIQ가 걸릴 수 있는지에 관한 필드, 인터럽트에 대한 컨트롤이 가능하다.
T : Thunmb 모드 set
mode : 현재 mode를 나타냄.

SPSR : Saved Program Status Register

CPSR를 복사해 넣는 특수 레지스터.
CPSR를 백업하기 위함.
모드 변경 시 사용.

R14 : Linked Register (RBP)

리턴 주소를 담고 있다.

R13 : Stack Pointer (RSP)

현재 스택의 꼭대가를 가리킴

R15 : Program Counter (RIP)

다음 실행할 명령어를 가리킴.
현재 Fetch 해 온 위치를 가리킴. (현재 까지 실행된거 X)

Context Switching

문맥 전환,
프로세스 실행 중, 인터럽트로 인해 다른 프로세스가 실행될 때
레지스터 값을 교체하는 작업

ARM Exception

Exception은 Interrupt를 포함한 더 큰 사건,
외부 요청, 오류에 관련된 사건.
Interrupt : 제어 흐름에서 예상치 못한 외부에서 전달되는 사건.
Exception : 프로세서 내부에서 발생하는 예상치 못한 사건.

내부 인터럽트 (exception)

SVC 인터럽트 : 외부의 프로그램이 의도적으로 호출.
산술 오버플로우/언더플로우
0 으로 나누기
정의 안된 명령어 수행

외부 인터럽트 (interrupt)

I/O 인터럽트 : 입출력 요구가 있을 때 하드웨어가 발생
전원 이상 인터럽트
기계 착오 인터럽트 : CPU 등의 기능적 오류
외부 신호 인터럽트 : Timer등으로 발생.

Exception이 발생하면, 그 Exception에 해당하는 미리 정해진 주소의 프로그램을 하드웨어적으로 수행함.
이 주소를 Exception Vector라 한다.

SVC mode : SVC 모드는 power on이나 reset이 일어난 경우에 진입한다.
IRQ mode : 하드웨어적인 인터럽트가 발생하면 진입한다.
FIQ mode : 인터럽트 중에 Fast 인터럽트가 발생하면 진입한다.
ABT mode : Access하는 주소가 Access 할 수 없는 경우, 명령어를 Fetch를 못할 경우. 에 진입한다.
UND mode : 명령어를 해석했는데 ARM이 모르는 명령어일 경우 진입한다. 보통 메모리 커럽션이 나면 발생, > 이를 응용하면 일부러 코드를 삽입하여 UND vector 주소로 jmp하도록 할 수 있음.