Thumb2 명령어 / 레지스터 / 핸들러 모드, 쓰레드 모드

기존의 명령어 셋

• Thumb 명령어셋
• ARM 명령어셋

Thumb 명령어

• 16비트 고정 길이 명령어
• 코드 크기 줄이고, 메모리 절약

ARM 명령어

• 32비트 고정 길이 명령어
• 고성능, 풍부한 연산기능 제공

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Thumb과 ARM 명령어셋 비교

Thumb, ARM instruction comparison

 

• 메모리 대역폭이 32bit일때
  • 한번에 32비트 가져올 수 있음 → ARM에유리
  • Thumb명령어는 16비트지만, decode는 결국 fetch당 한번만 수행 → 이득없음
• 메모리 대역폭이 16bit일때
  • ARM명령어는 2번 fetch필요 → 비효율
  • Thumb명령어는 1번fetch로 충분 → 효율적

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그래서 Thumb2 명령어 사용

Thumb와 ARM 명령어를 번갈아서 사용하면, overhead가 생긴다.

→ 성능 저하 발생

 

따라서, Thumb와 ARM을 혼합한 Thumb2를 사용하는데,

모드 전환이 필요없기 때문에 성능 저하가 발생하지 않는다.

속도는 25%, 코드사이즈는 26% 더 좋다.

thumb2 비교

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Register

cortex-m register structure

범용 레지스터 : 일반적인 연산의 결과

• R0 ~ R7 : Thumb1에서 사용
• R0 ~ R12 : Thumb2에서 사용

스택 메모리에 저장되는 것

1. 전달 인자
2. 지역 변수
3. 컨텍스트
4. 리턴 주소
5. 프레임 포인터(r7 or r11)

프레임 포인터란?

스택 Push/Pop 동작

Push 동작

push sp, {r7, lr}

• sp가 먼저 8 바이트 감소한 후, 그 위치에 r7, lr 값이 저장됩니다.
• 즉, Full Descending Stack은:
  • Full: sp가 이미 사용 중인 위치를 가리킨다
  • Descending: 스택이 아래 방향으로 확장된다 → 주소가 작아지는 방향으로 push를 진행한다.       

Pop 동작

pop sp, {r7, lr}

• 현재 sp가 가리키는 주소에 있는 값을 r7, lr에 저장하고, 이후 sp는 8 바이트 증가합니다.

리틀 엔디안

• ARM은 기본적으로 리틀 엔디안으로 동작하므로, 메모리에 저장할 때 하위 바이트가 먼저 저장됩니다.
• 예: 0x12345678을 저장하면 메모리에는 아래처럼 저장됨
• 주소 값 0x00 0x78 0x01 0x56 0x02 0x34 0x03 0x12

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Handler mode, Thread mode

• Thread mode
  
  • 기본 실행모드 , main()함수 등 일반코드
• handler mode
  • 인터럽트 / exception 발생 시
  • IRQ handler

[흐름]

thread mode → 인터럽트 발생 → handler mode → 인터럽트 종료 → thread mode 복귀

특권 / 비특권

• Thread mode : privileged 혹은 unprivileged 가능
• Handler mode : 항상 privileged 만 가능 (익셉션은 반드시 시스템 권한이 있어야함)

Banked Register 구조

스택 포인터 레지스터(sp)말고도, msp(시스템/커널/인터럽트용), psp(사용자 task용)가 있음.

특권/비특권에 따라서 혹은 mode에 따라서 msp, psp둘중에 어떤 걸 alias할지 고른다.

현재 모드 권한 수준 sp가 가리키는 스택

Handler Mode	항상 Privileged	MSP (고정)
Thread Mode	Privileged	MSP 또는 PSP 설정 가능
Thread Mode	Unprivileged	PSP만 사용 가능