Assembly Language Programming Assembly Language Programming ARM Cortex-M3 Vincent Mahout Firstpublished2012inGreatBritainandtheUnitedStatesbyISTELtdandJohnWiley&Sons,Inc. Apart from any fair dealing for the purposes of research or private study, or criticism or review, as permittedundertheCopyright,DesignsandPatentsAct1988,thispublicationmayonlybereproduced, storedortransmitted,inanyformorbyanymeans,withthepriorpermissioninwritingofthepublishers, or in the case of reprographic reproduction in accordance with the terms and licenses issued by the CLA. Enquiries concerning reproduction outside these terms should be sent to the publishers at the undermentionedaddress: ISTELtd JohnWiley&Sons,Inc. 27-37StGeorge’sRoad 111RiverStreet LondonSW194EU Hoboken,NJ07030 UK USA www.iste.co.uk www.wiley.com ©ISTELtd2012 TherightsofVincentMahouttobeidentifiedastheauthorofthisworkhavebeenassertedbyhimin accordancewiththeCopyright,DesignsandPatentsAct1988. ____________________________________________________________________________________ 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