Assembly Language Programming: ARM Cortex-M3

258 Pages·2011·4.06 MB·English

by  Vincent Mahout

Assembly Language Programming

Assembly Language
Programming
ARM Cortex-M3
Vincent Mahout
Firstpublished2012inGreatBritainandtheUnitedStatesbyISTELtdandJohnWiley&Sons,Inc.
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____________________________________________________________________________________
LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData
Mahout,Vincent.
Assemblylanguageprogramming:ARMCortex-M3/VincentMahout.
p.cm.
Includesbibliographicalreferencesandindex.
ISBN978-1-84821-329-6
1. Embeddedcomputersystems.2. Microprocessors.3. Assemblerlanguage(Computerprogram
language) I.Title.
TK7895.E42M342012
005.2--dc23
2011049418
BritishLibraryCataloguing-in-PublicationData
ACIPrecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary
ISBN:978-1-84821-329-6
PrintedandboundinGreatBritainbyCPIGroup(UK)Ltd.,Croydon,SurreyCR04YY
Table of Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Chapter1.OverviewofCortex-M3Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.Assemblylanguageversustheassembler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.TheworldofARM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1.Cortex-M3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2.TheCortex-M3coreinSTM32. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Chapter2.TheCoreofCortex-M3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.Modes,privilegesandstates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.Registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1.RegistersR0toR12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2.TheR13register,alsoknownasSP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.3.TheR14register,alsoknownasLR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.4.TheR15orPCregister. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.5.ThexPSRregister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Chapter3.TheProperUseofAssemblyDirectives . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.Theconceptofthedirective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.1.Typographicconventionsanduseofsymbols . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.Structureofaprogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.1.TheAREAsections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.Asectionofcode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.1.Labels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.2.Mnemonic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.3.Operands. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.4.Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.5.Procedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
vi AssemblyLanguageProgramming
3.4.Thedatasection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4.1.Simplereservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4.2.Reservationwithinitialization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.3.Datainitialization:thedevilisinthedetails . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5.Isthatall?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5.1.Memorymanagementdirectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.2.Projectmanagementdirectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5.3.Variousandvarieddirectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Chapter4.OperandsofInstructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.Theconstantandrenaming. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.Operandsforcommoninstructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.1.Useofregisters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.2.Theimmediateoperand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.Memoryaccessoperands:addressingmodes . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.1.Thepointerconcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.2.Addressingmodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Chapter5.InstructionSet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.1.Readingguide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.1.1.Listofpossible“condition”suffixes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2.Arithmeticinstructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3.Logicalandbitmanipulationinstructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.4.Internaltransferinstructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.5.Testinstructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.6.Branchinstructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.7.Load/storeinstructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.7.1.Simpletransfers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.7.2.Multipletransfers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.7.3.Accesstothesystemstack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.8.“System”instructionsandothers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Chapter6.AlgorithmicandDataStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.1.Flowchartversusalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2.Alternativestructures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2.1.Simple(orshortened)alternative. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2.2.Completealternative. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.2.3.Specialcaseofthealternative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.2.4.Multiplechoice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.3.Iterativestructures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3.1.TheRepeat…Untilloop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
TableofContents vii
6.3.2.TheWhile…Doloop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.3.3.TheFor…loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.4.Compoundconditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.4.1.AlternativewithAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.4.2.IterationwithAND. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.4.3.AlternativewithOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.4.4.IterationwithOR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.5.Datastructure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.5.1.Tableinonedimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.5.2.Tablesinmultipledimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.5.3.Registration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.5.4.Non-dimensionaltable,characterstring. . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.5.5.Queue. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.5.6.Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Chapter7.InternalModularity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.1.Detailingtheconceptofprocedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.1.1.Simplecall. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.1.2.Nestedcalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.1.3.“Redwire”example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.2.Procedurearguments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2.1.Usefulnessofarguments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2.2.Argumentsbyvalueandbyreference. . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2.3.Passingargumentsbygeneralregisters. . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2.4.Passingargumentsbyastack. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.5.Passingargumentsbythesystemstack. . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.2.6.Ontheartofmixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.3.Localdata. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.3.1.Simplereservationoflocaldata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.3.2.Usingachainedlist. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Chapter8.ManagingExceptions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8.1.WhathappensduringReset?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
8.2.Possibleexceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
8.2.1.Traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8.2.2.Interrupts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8.3.Prioritymanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.3.1.Prioritylevelsandsublevels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
8.3.2.Thenestedmechanism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.4.Entryandreturninexceptionprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.4.1.Re-routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.4.2.Return. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
viii AssemblyLanguageProgramming
8.4.3.“Tail-chaining”and“Late-arriving”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
8.4.4.OtherusefulregistersfortheNVIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Chapter9.FromListingtoExecutable: ExternalModularity. . . . . . . . 173
9.1.Externalmodularity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
9.1.1.Genericexample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
9.1.2.Assemblybypieces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
9.1.3.Advantagesofassemblybypieces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
9.1.4.Externalsymbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9.1.5.IMPORTandEXPORTdirectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
9.2.Theroleoftheassembler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
9.2.1.Filesproducedbytheassembler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
9.2.2.Placementcounters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
9.2.3.Firstpass:symboltable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
9.2.4.Secondpass:translation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
9.2.5.Relocationtable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
9.3.Theroleofthelinker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
9.3.1.Functioningprinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
9.3.2.Theproductsofthelinker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
9.4.Theloaderandthedebuggingunit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
AppendixA.InstructionSet–AlphabeticalList. . . . . . . . . . . . . . . . . 201
AppendixB.TheSysTickTimer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
AppendixC.Exampleofa“Bootstrap”File. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
AppendixD.TheGNUAssembler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241