InLine Assembler ARM M0+

Aus Micropython Referenz
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Micropython bietet die Möglichkeit InLine Assembler für ARM Cortex M CPU's direkt ins Script zu schreiben. Hier wird dieses Thema am Raspberry Pi Pico erarbeitet.
Bei Thonny funktioniert der Inline Assembler nicht in der REPL! Assembler Code muss in einem Script stehen!

Die CPU des Pico[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Raspberry Pi Pico enthält 2 ARM Cortex M0+ CPU's.
Für die beiden M0+ CPU's gilt das, was ARM in die M0+ CPU's eingebaut hat. Deshalb wird zuerst das Wichtigste zum M0+ vorgestellt. Dabei wird aber z.T. auch auf Besonderheiten des Micropython Inline Assemblers eingegangen.
Anschließend wird der Micropython Inline Assembler für den M0+, also den Raspberry Pi Pico besprochen.
Schließlich wird auf die Raspberry Pi Pico Besonderheiten eingegangen und einige kleine Programmbeispiele präsentiert.

Das ARM Cortex M0+ Prozessormodell[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der ARM Cortex M0+ besitzt 16 allgemeine Register und 3 Spezialregister.

Allgemeine Register
REGISTER Bezeichnung
r0 Low Register

können von allen Befehlen verwendet werden.
Register für allgemeine Verwendung.

r1
r2
r3
r4
r5
r6
r7
r8 High Register

können nur von 32-Bit-Befehlen verwendet werden.
Register für allgemeine Verwendung.

r9
r10
r11
r12
r13 Stack Pointer (MSP/PSP)
r14 Link Register (LR)
r15 Programm Counter (PC)


3 Spezialregister
REGISTER Bezeichnung
xPSR Kombiniertes Programm Status Register
PRIMASK Interrupt Maskierung Spezialregister
CONTROL Control Spezialregister

Hier ist nur das xPSR von interesse. Es enthält u.a. das Application Prozessor Status Register (APSR). Dieses wird für bedingte Sprünge benötigt.

APSR
Bit Flag
31 N
30 Z
29 C
28 V

Hier ist nur das Flag und dessen Bedeutung für die Assemblerprogrammierung interessant:

N
Wird 1 wenn das Ergebnis negativ ist.
Z
Wird 1 wenn das Ergebnis 0 ist.
C
Wird bei unsigned Werten 1, wenn ein Überlauf entsteht.
Bei Shift- und Rotate-Befehlen wird ein Bit aus dem Register ins Carry geschoben.
V
Wird bei signed Werten 1, wenn ein Überlauf entsteht.

Das ARM Cortex M0+ Speichermodell[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die ARM Cortex M Prozessoren können 4 GB Speicher adressieren. Dieser ist in Bereiche für unterschiedliche Verwendungen unterteilt:

Memory Map
Adresse Verwendung
0xFFFFFFFF System
0.5GB
0xE0000000
0xDFFFFFFF External Device
1GB
_
_
0xA0000000
0x9FFFFFFF External RAM
1GB
_
_
0x60000000
0x5FFFFFFF Peripherals
0.5GB
0x40000000
0x3FFFFFFF SRAM
0.5GB
0x20000000
0x1FFFFFFF Code
0.5GB
0x00000000

Stack[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Stack liegt üblicherweise am oberen Ende des RAM-Bereichs und breitet sich nach unten aus. Der Stackpointer (r13) wird dann mit der letzten Adresse +1 geladen.

Memory Map des Raspberry Pi Pico[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Befehlssatz des M0+[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Key features des Cortex-M0+ core sind: 

   ARMv6-M architecture
   2-stage pipeline (one fewer than Cortex-M0)
   Instruction sets: (same as Cortex-M0)
       Thumb-1 (most), missing CBZ, CBNZ, IT
       Thumb-2 (some), only BL, DMB, DSB, ISB, MRS, MSR
       32-bit hardware integer multiply with 32-bit result
   1 to 32 interrupts, plus NMI

Quelle: https://en.wikipedia.org/wiki/ARM_Cortex-M

Hier geht's zum Befehlssatz des RP2040.

Links:[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

InLine Assembler schreiben[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Schreibweise der Assemblerbefehle in Micropython unterscheidet sich von der der üblichen Assembler. In Micropython werden die Assembler-Befehle als Funktionen eingegeben, um der Python-Syntax zu entsprechen, obwohl MicroPython sie direkt in Assembler kompiliert.

Das Einfügen von Assemblercode in ein Micropythonscript ist ganz einfach. Dem Assemblercode Block muss nur der Dekorator @micropython.asm_thumb voran gestellt werden:
Allerdings funktioniert der Inline Assembler nicht in der REPL! Assembler Code muss in einem Script stehen! 

@micropython.asm_thumb
def fun():
    mov(r0, 42)
print(fun())

Die Ausgabe: 

>>> %Run -c $EDITOR_CONTENT

MPY: soft reboot
42
>>>

Hurra es funktioniert!

Parameter Übergabe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als Parameter können Integer übergeben werden.
Als Eingangsregister für die Übergabe von Parametern können nur r0 ... r3 benutzt werden: 

@micropython.asm_thumb
def test(r0, r1, r2, r3, r4):
    mov(r0, r4)
    
print(test(1,2,3,4,5))

>>> %Run -c $EDITOR_CONTENT

MPY: soft reboot
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 2, in test
SyntaxError: can only have up to 4 parameters to Thumb assembly
>>>

Außerdem müssen die Register in aufsteigender Reihenfolge eingesetzt werden: 

@micropython.asm_thumb
def test(r1, r0, r2, r3):
    mov(r0, r4)

print(test(1,2,3,4))

>>> %Run -c $EDITOR_CONTENT

MPY: soft reboot
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 2, in test
SyntaxError: parameters must be registers in sequence r0 to r3
>>>

Beispiel für eine korrekte Anwendung: 

@micropython.asm_thumb
def test(r0, r1, r2, r3):
    add(r0, r0, r1)
    add(r0, r0, r2)
    add(r0, r0, r3)
    
print(test(1,2,3,4))

>>> %Run -c $EDITOR_CONTENT

MPY: soft reboot
10
>>>

Zurückgegeben wird immer der Inhalt von r0.
Es ist nicht möglich Micropython und Assembler in einer Funktion zu mischen.

Einschränkungen des Micropython Inline Assembler[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es gibt keine Befehl um ein Register mit einer 32-Bit Zahl zu laden. Deshalb besitzen Assemblerprogramme den Pseudobefehl LDR. Dieser wird vom Assembler in vorhandene Befehle übersetzt. Beim Micropython Inline Assembler ist dieser Pseudobefehl leider nicht vorhanden: 

@micropython.asm_thumb
def pseudo():
    ldr(r1, 42)
    ldr(r0, 0x12345678)

# unsupported Thumb instruction 'ldr' with 2 arguments

LDR funktioniert nur mit Registern.

https://forum.micropython.org/viewtopic.php?f=21&t=9896

Label funktionieren nur mit Branch-Befehlen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Label werden so erzeugt: 

label(label_name)

Der Labelname wird nicht in Anführungszeichen gesetzt. Es ist kein String!
Konstruktionen wie diese: 

mov(r0, =label_name)

funktionieren dagegen nicht! Es wird ein Syntaxfehler gemeldet.

.data funktioniert[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Micropython Inline Assembler werden Data-Zeilen wie folgt geschrieben: 

label(my_data)
data(4, 0x12345678)
data(2, 0x1234)

Mit label wird die Adresse des Datenfeldes erfasst.
Das erste Argument von data gibt die Größe der Zahl in Byte an.
Wie kommen wir nun an die Daten? 

mov(r0, =my_data)

funktioniert ja nicht.
Im Internet habe ich dazu folgenden Vorschlag gefunden (https://github.com/orgs/micropython/discussions/12257): 

import micropython

@micropython.asm_thumb
def test_asm() -> uint:

    align   (4)             # DO NOT MODIFY
    mov     (r7, pc)        #   PC points to the table, so does r7 now
    b       (func_entry)    # DO NOT MODIFY

    # embedded table
    align   (4)
    data    (2, 0x1122)     #  0
    data    (2, 0x3344)     #  2
    data    (2, 0x7788)     #  4
    data    (2, 0x5566)     #  6
    data    (4, 0x3abbccdd) #  8    four byte data (only with two upper bits cleared)
    data    (4, 0x3fffffff) # 12    that's the maximum

    align   (2)
    label   (func_entry)
    # ldrb    (r0, [r7, 0])     # gets 0x22 into r0
    # ldrb    (r0, [r7, 1])     # gets 0x11 into r0
    # ldrh    (r0, [r7, 0])     # gets 0x1122 into r0
    # ldrh    (r0, [r7, 2])     # gets 0x3344 into r0
    # ldr     (r0, [r7, 0])     # gets 0x33441122 into r0
    ldr     (r0, [r7, 4])       # gets 0x55667788 into r0
    # ldr     (r0, [r7, 8])     # gets 0x3abbccdd into r0
    # ldr     (r0, [r7,12])     # gets 0x3fffffff into r0
    # when fuction returns, r0 is the return value

rc = test_asm()
print(f'rc = 0x{rc:0x}')

Hier wird kein Label angelegt, der hilft uns ja nicht weiter.
Statt dessen wird in der Speicherzugriff auf Wordgröße ausgerichtet,
der Programmzähler in r7 geladen
und dann das Datenfeld übersprungen und das eigentliche Programm abgearbeitet.
Nun haben wir einen Zeiger auf den Anfang unserer Daten in r7.
Dann folgen die Daten - Der RP2040 arbeitet mit little Endian.
Schließlich sind verschiedene Möglichkeiten des Zugriffs über den Offset in Byte-, Halbword- und Wordlänge demonstriert.

Datenaustausch über Array[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

32-bit Werte in Array tun und die Array-Adresse als Parameter an die Funktion übergeben.

Raspberry Pi Pico GPIO Programmierung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die GPIO's des Pico sind alle in 32-bit-Registern zusammengefasst.
Es gibt folgende Register zum Umgang mit den GPIO's:

GPIO_OUT
Setzt den Ausgangspegel der GPIO's.
GPIO_OE
Aktiviert den Ausgangstreiber der GPIO's. 0 = hochohmig, 1 = Ausgang aktiv.
GPIO_IN
Enthält den aktuellen Status der GPIO's.

Links:[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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