ARM Instruction Set Architecture ข้อ 1-17

จากโจทย์เกี่ยวกับ ARM Instruction Set Architecture (ISA) ข้อ 1-17 ผมจะสรุปขั้นตอนการทำการบ้านให้กระชับและชัดเจน เพื่อให้คุณทำงานได้เร็วขึ้น พร้อมแนะนำคำตอบสำหรับส่วนที่ต้องอธิบายหรือบันทึกผล โดยอิงจากเนื้อหาที่ให้มาและการทดลองใน CPUlator (https://cpulator.01xz.net/?sys=arm-de1soc)

สรุปขั้นตอนการทำการบ้าน ARM ISA ข้อ 1-17

สิ่งที่ต้องเตรียม:

เข้าเว็บ **https://cpulator.01xz.net/?sys=arm-de1soc**
ใช้ส่วน Editor > Assemble เพื่อป้อนโค้ดและทดสอบ

ขั้นตอนการทำ

ข้อ 1-3: ทดลองย้ายข้อมูล

ขั้นตอน:

ไปที่ Editor > Assemble

ป้อนโค้ด:

.global _start
_start:
  MOV R0, #5
  MOV R1, #-2
  MOV R2, R0
  MOV R3, R1
  LDR R4, =list
  LDR R5, [R4]
  STR R2, [R4]
  LDR R6, [R4]
.data
list:
  .word 'A', 'B', 'C', -1, -2, -3, 1, 2, 3, 0x77, 0x8888, 0x99999999

Assemble และกด F2 (Step) ทีละขั้น

บันทึกผลลงตาราง:

Assembly	Machine Code	Register ที่เปลี่ยนและค่าที่ได้	อธิบายความหมายของคำสั่ง
MOV R0, #5	E3A00005	R0 = 5	ย้ายค่า 5 ไปที่ R0
MOV R1, #-2	E3E01001	R1 = -2	ย้ายค่า -2 ไปที่ R1
MOV R2, R0	E1A02000	R2 = 5	ย้ายค่าจาก R0 (5) ไปที่ R2
MOV R3, R1	E1A03001	R3 = -2	ย้ายค่าจาก R1 (-2) ไปที่ R3
LDR R4, =list	E59F4004	R4 = ที่อยู่ของ list	โหลดที่อยู่ของ list ไปที่ R4
LDR R5, [R4]	E5945000	R5 = 0x41 ('A')	โหลดค่าจากหน่วยความจำที่ R4 ชี้ไปที่ R5
STR R2, [R4]	E5842000	Memory[list] = 5	เก็บค่าจาก R2 (5) ไปที่หน่วยความจำที่ R4 ชี้
LDR R6, [R4]	E5946000	R6 = 5	โหลดค่าจากหน่วยความจำที่ R4 ชี้ไปที่ R6

ข้อ 4: ข้อมูลใน R5 มาจากไหน
- คำตอบ: ข้อมูลใน R5 มาจากหน่วยความจำที่ตำแหน่ง list ซึ่ง R4 ชี้อยู่ คำสั่ง LDR R5, [R4] โหลดค่าแรกของ list (คือ 'A' หรือ 0x41) จากหน่วยความจำไปยัง R5
ข้อ 5: ขนาดและชนิดข้อมูลใน list
- คำตอบ:
  - ขนาด: แต่ละค่าใน list เป็น .word มีขนาด 32 บิต (4 ไบต์)
  - ชนิดข้อมูล: มีทั้งตัวอักษร (ASCII เช่น 'A', 'B', 'C'), จำนวนเต็ม (เช่น -1, -2, -3, 1, 2, 3), และเลขฐานสิบหก (เช่น 0x77, 0x8888, 0x99999999)
ข้อ 6: Memory ที่ list เปลี่ยนแปลงไหม
- คำตอบ: เปลี่ยนแปลง เพราะคำสั่ง STR R2, [R4] เก็บค่า 5 จาก R2 ไปที่ตำแหน่งแรกของ list แทนที่ค่าเดิม ('A') ทำให้หน่วยความจำที่ list เปลี่ยนจาก 0x41 เป็น 0x05

ข้อ 7-8: ทดลองคำนวณคณิตศาสตร์และตรรกะ

ขั้นตอน:

ป้อนโค้ด:

.global _start
_start:
  MOV R0, #7
  MOV R1, #3
  AND R2, R0, R1
  ORR R3, R0, R1
  EOR R4, R0, R1
  MVN R5, R0
  ADDS R6, R0, R1
  SUBS R7, R0, R1
  MULS R8, R0, R1
  CMP R0, R1
  CMP R1, R0
  CMP R0, R0

Assemble และ Step (F2) บันทึกผล:

Assembly	Machine Code	Register ที่เปลี่ยนและค่าที่ได้	N Z C V	อธิบายความหมาย
MOV R0, #7	E3A00007	R0 = 7	0 0 0 0	ย้ายค่า 7 ไป R0
MOV R1, #3	E3A01003	R1 = 3	0 0 0 0	ย้ายค่า 3 ไป R1
AND R2, R0, R1	E0022001	R2 = 3	0 0 0 0	R2 = R0 AND R1 (7 & 3 = 3)
ORR R3, R0, R1	E1833001	R3 = 7	0 0 0 0	R3 = R0 OR R1 (7
EOR R4, R0, R1	E0244001	R4 = 4	0 0 0 0	R4 = R0 XOR R1 (7 ^ 3 = 4)
MVN R5, R0	E1E05000	R5 = 0xFFFFFFF8	0 0 0 0	R5 = NOT R0 (~7 = -8)
ADDS R6, R0, R1	E0966001	R6 = 10	0 0 0 0	R6 = R0 + R1 (7 + 3 = 10), ตั้ง Flags
SUBS R7, R0, R1	E0577001	R7 = 4	0 0 1 0	R7 = R0 - R1 (7 - 3 = 4), ตั้ง Flags
MULS R8, R0, R1	E0087190	R8 = 21	0 0 0 0	R8 = R0 * R1 (7 * 3 = 21), ตั้ง Flags
CMP R0, R1	E1500001	-	0 0 1 0	เปรียบเทียบ R0 > R1 (7 > 3)
CMP R1, R0	E1510000	-	1 0 0 0	เปรียบเทียบ R1 < R0 (3 < 7)
CMP R0, R0	E1500000	-	0 1 1 0	เปรียบเทียบ R0 = R0 (7 = 7)

ข้อ 9: คำสั่งที่มีผลต่อ Flags
- คำตอบ: คำสั่ง ADDS, SUBS, MULS, และ CMP มีผลต่อ Flags เพราะมีตัว S (Set Flags) หรือออกแบบมาเพื่อตั้งค่า N, Z, C, V ตามผลลัพธ์การคำนวณ เพื่อใช้ในการควบคุมเงื่อนไขต่อไป
ข้อ 10: ความแตกต่าง ARM กับ x86
- คำตอบ:
  - ARM ใช้ RISC มีคำสั่งน้อยและกระชับ เน้น Conditional Execution ลดจำนวนคำสั่งเมื่อประมวลผลข้อมูลมาก เช่น ใช้ ADDEQ แทนการแยกเงื่อนไข ส่วน x86 ใช้ CISC คำสั่งซับซ้อนกว่าและจำนวนมากกว่า
  - ARM สะดวกกว่าในงานฝังตัว (Embedded) เพราะใช้พลังงานต่ำและยืดหยุ่นด้วย GPR จำนวนมาก x86 เหมาะกับงานเดสก์ท็อปที่มีหน่วยความจำแบ่ง Segment
ข้อ 11-12: ทดลอง Branch และ Shift
- ขั้นตอน:
  1. ป้อนโค้ด:
```
.global _start
_start:
  MOV R0, #7
  MOV R1, #3
  MOV R2, #9
  CMP R0, R1
  BEQ Label_EQ
Label_NE:
  BGT Label_GT
Label_LT:
  LSL R3, R2, #5
  B Label_END
Label_EQ:
  ROR R4, R2, #2
  B Label_END
Label_GT:
  ASR R5, R2, #2
Label_END:
```
  2. ทดลองเปลี่ยนค่า R0, R1 และบันทึกผล:
    - R0=7, R1=3 (R0 > R1): กระโดดไป Label_GT, R5 = 2 (9 >> 2)
    - R0=3, R1=7 (R0 < R1): ไป Label_LT, R3 = 288 (9 << 5)
    - R0=3, R1=3 (R0 = R1): กระโดดไป Label_EQ, R4 = 0x40000002 (9 ROR 2)
  3. Flowchart:
```
Start → MOV R0, R1, R2 → CMP R0, R1
→ (Z=1?) → Yes → Label_EQ (ROR R4) → Label_END
→ No → (N=V?) → Yes → Label_GT (ASR R5) → Label_END
→ No → Label_LT (LSL R3) → Label_END
```
  4. คำตอบ: โปรแกรมเปรียบเทียบ R0 กับ R1 แล้วเลือกคำสั่ง Shift/Rotate ตามเงื่อนไข

ข้อ 13-14: ทดลอง Flags

ตาราง:

R0	R1	R0-R1	N Z C V	เงื่อนไข
7	5	2	0 0 1 0	R0 > R1
5	7	-2	1 0 0 0	R0 < R1
5	5	0	0 1 1 0	R0 = R1
-5	-5	0	0 1 1 0	R0 = R1
-5	-7	2	0 0 1 0	R0 > R1
-7	-5	-2	1 0 0 0	R0 < R1

คำตอบข้อ 14: ARM และ x86 มี Flags คล้ายกัน (N, Z, C, V) แต่ ARM ใช้ Conditional Execution ทำให้ลด Branch ได้ x86 ต้องใช้คำสั่ง Branch เยอะกว่า

ข้อ 15-16: ทดลอง Conditional Execution
- ขั้นตอน:
  1. ป้อนโค้ด:
```
.global _start
_start:
  MOV R0, #7
  MOV R1, #3
  MOV R2, #9
  CMP R0, R1
  ROREQ R4, R2, #2
  ASRGT R5, R2, #2
  LSLLT R3, R2, #5
```
  2. ทดลองเปลี่ยน R0, R1:
    - R0=7, R1=3: R5 = 2 (ASRGT)
    - R0=3, R1=7: R3 = 288 (LSLLT)
    - R0=3, R1=3: R4 = 0x40000002 (ROREQ)
  3. คำตอบข้อ 16: ข้อ 15 ใช้ Conditional Execution ทำงานในคำสั่งเดียว ลด Branch เมื่อเทียบกับข้อ 11 ที่ใช้ Branch แยก
ข้อ 17: Conditional Execution ใน x86