はじめに

ARMアセンブラの勉強のメモ書きです。ARMアセンブラと機械語の変換や仕組みについて記述してあります。間違った情報があるかもしれませんがご了承ください。

機械語

ARMは32bit命令を使用している。命令はデータ処理命令、メモリ命令、分岐命令とその他の命令に分類される。

基本形

※上段:ビット数。下段：内容。

31:28	27:26	25:20	19:0
cond	op	funct	-

各内容

cond：命令の発動タイミング cond=1110：Always発動
op：オペレーションコード ←ここを見てまず何の命令かを判断する。
- op=00：データ処理命令
- op=01：メモリ命令
- op=10：分岐命令
funct：ファンクションデータ処理、メモリ、分岐でそれぞれ形が変わる。
-：命令によって形が変わる。

データ処理命令

op=00のときに実行される命令

基本形

※上段:ビット数。下段：内容。

31:28	27:26	25	24:21	20	19:16	15:12	11:0
cond	op	I	cmd	S	Rn	Rd	Src2

各内容

I：直値orレジスタの判断。これによりSrc2の形が変わる。
- I=1：直値
- I=0：レジスタorシフト数レジスタ
cmd：データ処理命令ここで、データ処理の内容が決まる。
S：条件フラグ更新
- S=1：更新する
- S=0：更新しない
Rd：レジスタ1
Rn：レジスタ2
Src2：ソース2

cmdの内容

cmd	フォーマット	説明	動作
0000	AND Rd,Rn,Src2	ビット毎のAND	Rd ← Rn & Src2
0001	EOR Rd,Rn,Src2	ビット毎のXOR	Rd ← Rn ^ Src2
0010	SUB Rd,Rn,Src2	減算	Rd ← Rn - Src2
0011	RSB Rd,Rn,Src2	逆方向減算	Rd ← Src2 - Rn
0100	ADD Rd,Rn,Src2	加算	Rd　← Rn + Src2
0101	ADC Rd,Rn,Src2	キャリー付加算	Rd ← Rn + Src2 + C
0110	SBC Rd,Rn,Src2	キャリー付減算	Rd ← Rn - Src2 - C
0111	RSC Rd,Rn,Src2	キャリー付き逆方向減算	Rd ← Src2 - Rn - C
1000	TST Rn,Src2	テスト	Rn & Src2に基づきフラグをセット
1001	TEQ Rn,Src2	等しいかテスト	Rn ^ Src2に基づきフラグをセット
1010	CMP Rn,Src2	比較	Rn -Src2に基づきフラグをセット
1011	CMN Rn,Rd,Src2	負の比較	Rn + src2に基づきフラグをセット
1100	ORR Rd,Rn,Src2	ビット毎のOR	Rd ← Rn ∧ Src2
1101	シフト	下表参照
1110	BIC Rd,Rn,Src2	ビット毎のクリア	Rd ← Rn & ~Src2
1111	MVN Rd,Rn,Src2	ビット毎の否定	Rd ← ~Rn

フォーマット例この場合、R1=Rd、R2=Rn、#12=Src2に相当する。

ADD R1,R2,#12

シフトの内容

I=1のときは移動命令、I=0のときはシフトor回転命令となる。 I=0のときは、shを見て命令を判断する。 ※例外1：I=0かつsh=00かつshmat5=00000の場合、移動命令(MOV)となる。 ※例外2：I=0かつsh=11かつshmat5=00000の場合、拡張右回転命令(RRX)となる。

I=1のときのシフト内訳

フォーマット	説明	動作
MOV Rd,Src2	移動	Rd ← Src2

I=0のときのシフト内訳

sh	フォーマット	説明	動作
00	LSL Rd,Rm,Rs/shmat5	論理左シフト	Rd ← Rm << Src2
01	LSR Rd,Rm,Rs/shmat5	論理右シフト	Rd ← Rm >> Src2
10	ASR Rd,Rm,Rs/shmat5	算術右シフト	Rd ← Rm >> Src2
11	ROR Rd,Rm,Rs/shmat5	右回転	Rd ← Rn ror Src2

条件フラグが更新される命令

S=1になる命令

ADDS
SUBS
ASRS,LSLS,LSRS,RORS
ANDS,ORRS,EORS,BICS
MOVS,MVNS
MULS,SMULLS,UMULLS
CMP,CMN
TEQ,TST

Src2の内容

大きく分けてデータ処理命令（ADD、SUB）とシフト命令に分けられる

データ処理命令の場合

2パターン存在する

I=1：直値を扱う場合

Src2の中身が以下のように変形する

※上段:ビット数。下段：内容。

11:8	7:0
rot	imm8

rot：回転数
imm8：8bitの値

直値を扱う場合、基本8bitでしか値を扱えない。しかし、バレルシフタという工夫を行うことで、32bit(制限付き)までの値を扱うことができる。

計算方法 imm8の値をrot x 2の値分右回転させる。例：imm8=1111 1111 rot=1110 rot=1110は10進数に直すと、14である。よって、14 x 2 = 28bit分、右回転を行えば良い。 32bit回転前 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 32bit回転後 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 0000

回転後の値は10進数で4080である。この値は8bitでは扱えないがこのようにバレルシフトを行うことで扱うことができる。当たり前だが、8bit以内で表現できる値の場合はrot=0000を指定する。

例：ADD R0,R1,#42

cond	op	I	cmd	S	Rn	Rd	rot	imm8
1110	00	1	0100	0	0001	0000	0000	0010 1010

cmd=ADD、Rd=R0、Rn＝R1、rot/imm8=#42となっている。この機械語を4bitずつに区切ると

1110 0010 1000 0001 0000 0000 0010 1010

となり、これを16進数に直すと

0xE281002A

となる。

I=0：レジスタを扱う場合

Src2の中身が以下のように変形する

※上段:ビット数。下段：内容。

11:7	6:5	4	3:0
shmat5	sh	0	Rm

shmat5：共有メモリ ※データ処理命令かつレジスタを扱う場合はshmat5=00000になる。
sh：シフト命令 ※データ処理命令かつレジスタを扱う場合はsh=00になる。
0：0が格納されている
Rm：レジスタ 3つ目のレジスタに該当する

例：SUB R8,R9,R10

cond	op	I	cmd	S	Rn	Rd	shmat5	sh	0	Rm
1110	00	0	0010	0	0110	0101	00000	00	0	1010

cmd=SUB、Rd=R9、Rn＝R8、Rm=R10となっている。この機械語を4bitずつに区切ると

1110 0000 0100 0110 0101 0000 0000 1010

となり、これを16進数に直すと

0xE049800A

となる。

シフト命令の場合

3パターン存在する

I=1：移動命令の場合

Src2の中身が以下のように変形する

※上段:ビット数。下段：内容。

11:8	7:0
rot	imm8

rot：回転数
imm8：8bitの値

前述したとおり、シフト命令でI=1の場合は移動命令（MOV）となる。例：MOV R0,#7

cond	op	I	cmd	S	Rn	Rd	rot	imm8
1110	00	1	1101	0	0000	0000	0000	0000 0111

cmd=シフト命令、Rd=R0、rot/imm8=#7となっている。この機械語を4bitずつに区切ると

1110 0011 1010 0000 0000 0000 0000 0111

となり、これを16進数に直すと

0xE3A00007

となる。

I=0：シフト量が直値の場合

Src2の中身は以下のように変形する

※上段:ビット数。下段：内容。

11:7	6:5	4	3:0
shmat5	sh	0	Rm

shmat5：共有メモリ ※直値が入る。
sh：シフト命令
0：0が格納されている
Rm：レジスタ ※シフト命令の場合、Rnは使用せず2つ目のレジスタはRmとなる。

例：LSL R0,R9,#7

cond	op	I	cmd	S	Rn	Rd	shmat5	sh	0	Rm
1110	00	0	1101	0	0000	0000	00111	00	0	1001

cmd=シフト命令、Rd=R0、Rm=R9、shmat5=#7、sh=LSLとなっている。この機械語を4bitずつに区切ると

1110 0001 1010 0000 0000 0011 1000 1001

となり、これを16進数に直すと

0xE1A00309

となる。

I=0：シフト量がレジスタの場合

Src2の中身は以下のように変形する

※上段:ビット数。下段：内容。

11:8	7	6:5	4	3:0
Rs	0	sh	1	Rm

Rs：レジスタ 3つ目のレジスタに該当する
0：0が格納されている
sh：シフト命令
1：1が格納されている
Rm：レジスタ 2つ目のレジスタに該当する

例：ASR R5,R1,R12

cond	op	I	cmd	S	Rn	Rd	Rs	0	sh	1	Rm
1110	00	0	1101	0	0000	0101	1100	0	10	1	0001

cmd=シフト命令、Rd=R5、Rm=R、Rs=R12、sh=ASLとなっている。この機械語を4bitずつに区切ると

1110 0001 1010 0000 0101 1100 0101 0001

となり、これを16進数に直すと

0xE1A05C51

となる。

メモリ命令

op=01のときに実行される命令

基本形

※上段:ビット数。下段：内容。

31:28	27:26	25	24	23	22	21	20	19:16	15:12	11:0
cond	op	I	P	U	B	W	L	Rn	Rd	Src2

各内容

I：直値orレジスタの判断。これによりSrc2の形が変わる。
- I=0：直値オフセット
- I=1：レジスタオフセット
U：足し算or引き算
- U=1：オフセットを足す
- U=0：オフセットを引く
P W:インデックスモード ←PとWの2値を使って判断する。
L B:メモリ命令 ←LとBの2値を使って判断する。
Rd：レジスタ1
Rn：レジスタ2
Src2：ソース2

P W：インデックスモードの内容

P W	インデックスモード	例	見分け方
0 0	ポストインデックス	LDR R0,[R1],R2	真ん中に括弧
0 1	サポート外	-
1 0	オフセット	LDR R0,[R1,R2]	右二個に括弧
1 1	プレインデックス	LDR R0,[R1,R2]!	ビックリマーク

L B：メモリ命令の内容

L B	命令
0 0	STR
0 1	STRB
1 0	LDR
1 1	LDRB

Src2の内容

I=0：直値を扱う場合

Src2の中身が以下のように変形する

※上段:ビット数。下段：内容。

11:0
imm12

imm12：12bitの値を格納直値を扱う

例：STR R11,[R5],#-26

cond	op	I	P	U	B	W	L	Rn	Rd	imm12
1110	01	0	0	0	0	0	0	0101	1011	0000 0001 1010

U=引き算、P W=ポストインデックス、L B＝STR、imm12=#26 この機械語を4bitずつに区切ると

1110 0100 0000 0101 1011 0000 0001 1010

となり、これを16進数に直すと

0xE405B01A

となる。

I=1：レジスタを扱う場合

Src2の中身は以下のように変形する

※上段:ビット数。下段：内容。

11:7	6:5	4	3:0
shmat5	sh	0	Rm

shmat5：共有メモリ
sh：シフト命令
0：0が格納されている
Rm：レジスタ

例：省略

分岐命令

OP=10のときに実行される命令

基本形

※上段:ビット数。下段：内容。

31:28	27:26	25	24	23:0
cond	op	1	L	imm24

1：1が格納されている
L：分岐命令
imm24：24bit値を格納 ←分岐先アドレスを格納

L：分岐命令

L	命令
0	B
1	BL

分岐先のアドレス計算

分岐命令を探す
分岐命令+2の命令を基準として考える
分岐先のアドレスが基準から何個離れているかを計算する
アドレスの値をimm24に格納する　※値がマイナスの場合は2の歩数表現を使う

例：

1 TEST LDRB R5,[R0,R3]  ←分岐先アドレス
2      STRB R5,[R1,R3]
3      ADD  R3,R3,#1
4      MOV  PC,LR
5      BL   TEST　　　　　←分岐命令
6      LDR  R3,[R1],#4
7      SUB  R4,R3,#9　   ←基準

この場合、基準から分岐先アドレスは“-6“となる。つまり、機械語で表すと

cond	op	1	L	imm24
1110	10	1	1	1111 1111 1111 1111 1111 1010

この機械語を4bitずつに区切ると

1110 1011 1111 1111 1111 1111 1111 1010

となり、これを16進数に直すと

0xEBFFFFFA

となる。

参考文献

ディジタル回路設計とコンピュータアーキテクチャ［ARM版］

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ARMアセンブリと機械語を変換する方法

はじめに

機械語

基本形

各内容

データ処理命令

基本形

各内容

cmdの内容

シフトの内容

条件フラグが更新される命令

Src2の内容

データ処理命令の場合

I=1：直値を扱う場合

I=0：レジスタを扱う場合

シフト命令の場合

I=1：移動命令の場合

I=0：シフト量が直値の場合

I=0：シフト量がレジスタの場合

メモリ命令

基本形

各内容

P W：インデックスモードの内容

L B：メモリ命令の内容

Src2の内容

I=0：直値を扱う場合

I=1：レジスタを扱う場合

分岐命令

基本形

L：分岐命令

分岐先のアドレス計算

参考文献