前書き：XINU (Real Time OS)で学んだARMに関する情報
本記事では、ARM CPU（Cortex-A8、32bit）に対する調査内容を備忘録としてまとめています。
ARMに関する調査は、XINUのソースコードを読むために実施しました。XINU (Xinu Is Not Unix )とは、パデュー大学のダグラス・カマーが教育目的で開発した Real Time OS であり、ARM Cortex-A8が搭載されたBeagleBone Black（シングルボードコンピュータ）上で動作します。
XINUは、Kernel空間とUser空間が分離していないシンプルな作りであり、OSを勉強したい人にはオススメです。
OSの勉強用にXINUソースコードを読むメリット
- 小規模（ 約 1 万 LOC）
- 産業用途での使用実績がある事（= 実運用に耐えられる設計である事）
- C 言語の文法が古くない事（= 古い UNIX は小規模であるが、文法が古くて読みづらい）
- 副読書が存在する事（Xinu オペレーティングシステムデザイン 改訂 2 版）
以上を踏まえて、本記事では以下の内容を紹介します。
- XINUがKernelとして動作する時（例：デバイス操作時やシステムコール実行時）に操作するレジスタ情報
- ARM 32Bit命令
- インライアセンブラの書き方
ARM Coretex-A8／BeagleBone Blackリファレンス
本記事に書かれた内容は誤りが含まれる可能性があるため、より正確な情報を得るには、以下のテクニカルリファレンスや外部サイトをご参照ください。
ARM 32bit レジスタ一覧
ARM 32bitレジスタの中で、頻繁に使用するものを下表に示します。
引数の受け渡しにスタックのみを使うi386アーキテクチャと異なり、ARMでは汎用レジスタr0〜r3を使用して関数の引数を渡します（汎用レジスタが不足する場合はスタックを使用します）。返り値も汎用レジスタで返します。
| レジスタ | 別名 | 役割 |
|---|---|---|
| r0 | a1 | 汎用レジスタ（引数の受け渡し、関数の返り値に使用） |
| r1 | a2 | 汎用レジスタ（引数の受け渡し、関数の返り値に使用） |
| r2 | a3 | 汎用レジスタ（引数の受け渡し、関数の返り値に使用） |
| r3 | a4 | 汎用レジスタ（引数の受け渡し、関数の返り値に使用） |
| r4 | v1 | 汎用レジスタ |
| r5 | v2 | 汎用レジスタ |
| r6 | v3 | 汎用レジスタ |
| r7 | v4 | 汎用レジスタ |
| r8 | v5 | 汎用レジスタ |
| r9 | sb | 汎用レジスタ（静的データセグメントのベースアドレス） |
| r10 | sl | 汎用レジスタ （スタックリミット） |
| r11 | fp | 汎用レジスタ（フレームポインタ） |
| r12 | ip | プロシージャ内呼び出しスクラッチレジスタ |
| r13 | sp | スタックポインタ |
| r14 | lr | リンクレジスタ（リターンアドレス） |
| r15 | pc | プログラムカウンタ |
| cpsr | - | カレントプログラムステータスレジスタ |
cpsr（カレントプログラムステータスレジスタ）
cpsr は、プロセッサの演算結果や動作モード・割り込み設定状態を保持するレジスタです。
| Bit | 名称 | 役割 |
|---|---|---|
| 31 | N | 演算結果が負の場合に設定される |
| 30 | Z | 演算結果が 0 の場合に設定される |
| 29 | C | 演算結果がキャリーアウトの場合に設定される |
| 28 | V | 演算結果がオーバフローの場合に設定される |
| 27 | Q | 飽和が発生した事を示す（自動クリアされない） |
| 26〜25 | IT | Thumb IT (If-Then)命令用のステータスを示す |
| 24 | J | プロセッサが Jazelle(※1) 状態かどうかを示す |
| 23〜20 | 予約 | 予約された Bit。 |
| 19〜16 | GE[3:0] | 演算結果が〇〇以上の場合に設定される（SIMD 命令で使用される） |
| 15〜10 | IT[7:2] | Thumb IT (If-Then)命令の状態を示す |
| 9 | E | ロード/ストア命令のエンディアン形式を設定する （0：リトルエンディアン、1：ビックエンディアン） |
| 8 | A | 非同期アボートマスクする場合に設定される |
| 7 | I | IRQ をマスクする場合に設定される |
| 6 | F | FIQ をマスクする場合に設定される |
| 5 | T | Thumb 命令の状態を示す |
| 4〜0 | M | モード領域 |
※1 Java 仮想マシンによるバイトコード実行時にハードウェアアクセラレーションのアーキテクチャサポートを提供する。Jazelle-DBX と Jazelle-RCT がある。
コプロセッサ一覧
プロセッサキャッシュや MMU の操作などでは、コプロセッサとコプロセッサ用レジスタを使用します。コプロセッサは 16 個存在します。
CP0〜9、CP12、CP13 は、システム独自の外部コプロセッサとして使用できます。その他のコプロセッサは、下表に示す通り、予め役割を定められています。
| コプロセッサ | 役割 |
|---|---|
| CP10 | VFP（Vector Floating Point、単精度の浮動小数点）制御 |
| CP11 | VFP（Vector Floating Point、倍精度の浮動小数点）制御 |
| CP14 | デバッグおよび ETM（Embedded Trace Macrocell、実行命令履歴）制御 |
| CP15 | システム制御 |
ARM 32bit 命令
| 命令 | 役割 |
|---|---|
| and | 論理積を取る |
| orr | 論理和を取る。 |
| bic | ビットをクリアする。 |
| push | レジスタ値をメモリに保存する |
| pop | レジスタ値をメモリから復元する |
| mrs | ステータスレジスタから汎用レジスタに値を移す |
| msr | 汎用レジスタからステータスレジスタに値を移す |
| mrc | コプロセッサから汎用レジスタに値を移す |
| mcr | 汎用レジスタからコプロセッサに値を移す |
| mov | レジスタからレジスタに値を移動する |
| str | レジスタからメモリに値を移動する |
| ldr | レジスタからレジスタに値を読み込む |
| b | PC 値にオフセットを加えたメモリアドレス（ラベル先）に分岐する。 |
| bl | ラベル先へ分岐し、次の命令アドレスを r14(lr)にコピーする(※2) |
| cpsie | I：IRQ 割り込みを許可、F：FIQ 割り込みを許可 |
| cpsid | I：IRQ 割り込みを禁止、F：FIQ 割り込みを禁止 |
※2 指定の番地へ分岐する前に戻りアドレスを R14=LR に保存するため、lrの内容を pc に書き込むと（MOV PC,LR）、元に戻る。
IRQ／FIQ 割り込み
FIQは高い優先度の高速割り込みであり、IRQ は通常優先度の割り込みです。
FIQは、プロセッサが状態を保存しなくて良いハードウェアのために存在し、 割り込み要求の処理中に「IRQ」および「その他の FIQ ハンドラ」を無効にする事によって優先順位を付けています。FIQ ハンドラ処理中に、他の割り込みは発生しません。
- cpsr の I ビットが 0 および IRQ 端子が有効になった場合、IRQ 割り込み例外が発生。
- cpsr の F ビットが 0 および FIQ 端子が有効になった場合、FIQ 割り込み例外が発生。
ARMインラインアセンブラ（GCC）の書き方
インラインアセンブラとは、C 言語ソースコード中でアセンブラ命令を埋め込む機能です。インラインアセンブラの使用時に用いる命令は、下表の通りです。
| 命令 | 役割 |
|---|---|
| __asm__ | インラインアセンブラの使用開始を意味する |
| __volatile__ | コードの最適化を抑制する。 |
構文は、__asm__(アセンブラコード :出力オペランド :入力オペランド :上書きされるレジスタリスト)という形式で、
“:“以降の指定は全てオプションです。記載例は、以下の通りです。
int func(int *a)
{
int result = 0;
__asm__ __volatile__ (
"mov r1, #99;"
"str r1, [%1];"
"mov %0, #88;"
: "=r"(result) /* 出力オペランド。"=r"の後に(C言語の変数名)を記載する（オプション） */
: "r"(a) /* 入力オペランド・"=r"の後に(C言語の変数名)を記載する（オプション） */
: /* 上書きされるレジスタ。オプションなので無記載でも良い。記載する場合は"r2"、"r3"...と記載する。*/
); /* 補足：アセンブラ命令の%n部分（nは正の数値）が入出力オペランド。数値は定義順に昇順で割り当てる。*/
return ret;
}
上書きされるレジスタには"memory"も指定でき、指定した場合は「インラインアセンブラの中で変数（レジスタ）が書き換わっている事」を明示しています。
つまり、“memory"はコンパイラに向けた宣言であり、「インラインアセンブラで変数が書き換わるので、それを踏まえて最適化してください」と伝えています
ただし、“memory"によってコンパイラレベルでの最適化はコントロールできますが、ハードウェアによる実行時並べ替え（Out of Order 実行）までは制御できません。