Programmieren mit ARM64 Assembler

Grundlagen

Der ARM-Prozessor ist ein sogenannter RISC-Computer (Reduced Instruction Set Computer). Das Designprinzip von RISC-Prozessoren führt zu einem kleineren und übersichtlicheren Befehlssatz, was das Erlernen von Assembler theoretisch einfacher macht. In dieser Einführung werden wir die grundlegenden Konzepte der ARM64-Bit Assembler Programmierung verständlich und praxisorientiert erklären, sodass sie auch für Anfänger zugänglich ist.

Was ist Assembler?

Assembler ist eine Programmiersprache, die es ermöglicht, den Computer auf sehr niedriger Ebene direkt zu steuern. Anders als Hochsprachen wie C oder Python kommuniziert Assembler direkt mit der Hardware, was eine präzise Kontrolle über den Prozessor und den Speicher ermöglicht. Diese direkte Steuerungsmöglichkeit macht Assembler zu einer mächtigen Sprache für ressourcenintensive oder sehr spezifische Aufgaben.

Aufbau dieses Tutorials

Dieses Tutorial ist so strukturiert, dass es sich von einem Kapitel zum nächsten Schritt für Schritt selbst erklärt. Zur Demonstration der Beispiele verwende ich einen Raspberry Pi 5, aber die Beispiele sollten ebenso auf den Modellen Raspberry Pi 3 und Raspberry Pi 4 funktionieren, sofern diese mit einem 64-Bit-Linux-System betrieben werden. Zu Beginn werden wir uns ansehen, wie man überhaupt Assemblerprogramme schreibt und diese auf einem ARM64-System ausführt.

Inhalt

• Programmierumgebung unter Linux erstellen und testen
  • Einrichtung der Entwicklungsumgebung
  • Installation der notwendigen Tools wie Assembler, Compiler und Debugger
  • Erste Schritte mit einem einfachen "Hello, World!"-Programm in Assembler
  • Testen der Umgebung durch Kompilieren und Ausführen von Assemblerprogrammen
• Tools, die zur Programmierung benötigt werden
  • Allgemeine Einführung in gängige Tools: Assembler (as), Linker (ld), Compiler (gcc) und make
  • Verwendung von Debugging-Tools wie gdb
  • IDEs und Texteditoren, die Assembler unterstützen
• Allgemeines zu Zahlen (Dezimal, Binär, Hexadezimal)
• Das erste Programm "Hello World"
• Register und Speicher
• Laden und Speichern von Werten
  • Laden von konstanten und variablen Werten in Register
  • Speichern von Registerwerten im Speicher
  • Verwendung der Befehle ldr und str
• Addieren und Subtrahieren
  • Einfache arithmetische Operationen: add, sub
  • Umgang mit Überlauf und Unterlauf
  • Arbeiten mit mehreren Registern und direkten Werten
  • Umgang mit Überlauf und Unterlauf bei 128-Bit-Arithmetik in ARM64-Assembler
• Multiplizieren, Dividieren und Akkumulation
  • Multiplizieren und Dividieren von Werten: mul, div
  • Erweitere Operationen wie akkumuliertes Multiplizieren: mla, mls
• Shiften und Rotation
• Logische Operatoren
• Programmablauf steuern
  • Bedingte und unbedingte Sprungbefehle: b, bl, cbz, cbnz
  • Schleifen und Verzweigungen
  • Vergleichsoperationen und bedingte Ausführung
• Funktionen und Stack
  • Funktion aufrufen und Rückkehr
  • Funktionsparameter und Rückgabewerte
  • Verwendung des Stacks für lokale Variablen und Funktionsaufrufe
  • Regeln für das Aufrufen von Funktionen (AAPCS)
• Systemaufrufe
  • Einführung in Linux-Systemaufrufe
  • Ausführung von grundlegenden Systemaufrufen wie exit, read, write, open, close
  • Übergabe von Parametern und Entgegennahme von Rückgabewerten
  • Übersicht der Linux ARM64 Systemaufrufen
• GPIO Programmierung
  • Grundlagen der GPIO-Programmierung
  • Direkte Steuerung der GPIO-Pins
  • Besondere Register und Konfiguration
• Interaktion mit C
  • C-Funktionen aus Assembler aufrufen
  • Assemblerfunktion in C aufrufen
  • Inline-Assembler in C
  • Bibliotheken verwenden
• Gleitkommaoperationen
  • FPU-Register
    • Überblick über FPU (Floating Point Unit) und ihre Register
  • Verwendung der Register in Funktionen
  • Arbeiten mit FPU-Registern
    • Ausführung von Gleitkommaoperationen: fadd, fsub, fmul, fdiv
  • Konvertierung von Gleitkommazahlen
    • Umwandlung zwischen Ganzzahlen und Gleitkommazahlen
  • Vergleichen
    • Vergleich von Gleitkommazahlen und bedingte Sprungbefehle

• NEON Coprozessor
  • Verwendung des NEON-Coprozessors im Raspberry Pi
  • LANE-Prinzip
  • Anwendung und Kontext im Raspberry Pi

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• Anhang
  • Diassemblieren
  • Big vs. Little Endian
  • Aliase
  • Assembler Direktiven (as/gcc)
    • Daten ausrichten
  • Makros in Assembler
  • Übersicht der Linux ARM64 Systemaufrufen
  • Übersicht der Fehlercodes von Systemaufrufen