（誤った）最適化

レジスタへの読み書きは、非常に特殊です。レジスタへの読み書きが、副作用の化身であることを、あえて明言することもあります。 前回のサンプルでは、4つの異なる値を同じレジスタに書き込みました。 そのアドレスがレジスタであることを知らなければ、最後の値である1 << (11 + 16)だけをレジスタに書き込むように、ロジックを単純化するかもしれません。

実際に、コンパイラのバックエンド/最適化であるLLVMは、レジスタを取り扱っていることを知りません。 そして、レジスタへの書き込みを結合し、プログラムの動作を変更します。このことを手軽にチェックします。

$ cargo run --release
(..)
Breakpoint 1, main () at src/07-registers/src/main.rs:9
9           aux7::init();

(gdb) next
25              *(GPIOE_BSRR as *mut u32) = 1 << (11 + 16);

(gdb) disassemble /m
Dump of assembler code for function main:
7       #[entry]

8       fn main() -> ! {
9           aux7::init();
   0x08000188 <+0>:     bl      0x800019c <aux7::init>
   0x0800018c <+4>:     movw    r0, #4120       ; 0x1018
   0x08000190 <+8>:     mov.w   r1, #134217728  ; 0x8000000
   0x08000194 <+12>:    movt    r0, #18432      ; 0x4800

10
11          unsafe {
12              // 魔法のアドレス！
13              const GPIOE_BSRR: u32 = 0x48001018;
14
15              // 「北」のLED（赤）を点灯します
16              *(GPIOE_BSRR as *mut u32) = 1 << 9;
17
18              // 「東」のLED（緑）を点灯します
19              *(GPIOE_BSRR as *mut u32) = 1 << 11;
20
21              // 「北」のLEDを消灯します
22              *(GPIOE_BSRR as *mut u32) = 1 << (9 + 16);
23
24              // 「東」のLEDを消灯します
25              *(GPIOE_BSRR as *mut u32) = 1 << (11 + 16);
=> 0x08000198 <+16>:    str     r1, [r0, #0]

26          }
27
28          loop {}
   0x0800019a <+18>:    b.n     0x800019a <main+18>

End of assembler dump.

この場合、LEDの状態は変わりません！str命令は、値をレジスタに書き込み命令の1つです。 debug（最適化されていない）プログラムには、4つのstr命令があります。各命令は、レジスタに書き込みします。 しかし、release（最適化された）プログラムは、1つしかstr命令がありません。

objdumpを使って、このことを確認できます。

$ # cargo objdump -- -d -no-show-raw-insn -print-imm-hex -source target/thumbv7em-none-eabihf/debug/registersと同じです
$ cargo objdump --bin registers -- -d -no-show-raw-insn -print-imm-hex -source
registers:      file format ELF32-arm-little

Disassembly of section .text:
main:
; #[entry]
 8000188:       sub     sp, #0x18
; aux7::init();
 800018a:       bl      #0xbc
 800018e:       str     r0, [sp, #0x14]
 8000190:       b       #-0x2 <main+0xa>
; *(GPIOE_BSRR as *mut u32) = 1 << 9;
 8000192:       b       #-0x2 <main+0xc>
 8000194:       movw    r0, #0x1018
 8000198:       movt    r0, #0x4800
 800019c:       mov.w   r1, #0x200
 80001a0:       str     r1, [r0]
; *(GPIOE_BSRR as *mut u32) = 1 << 11;
 80001a2:       b       #-0x2 <main+0x1c>
 80001a4:       movw    r0, #0x1018
 80001a8:       movt    r0, #0x4800
 80001ac:       mov.w   r1, #0x800
 80001b0:       str     r1, [r0]
 80001b2:       movs    r0, #0x19
; *(GPIOE_BSRR as *mut u32) = 1 << (9 + 16);
 80001b4:       mov     r1, r0
 80001b6:       cmp     r0, #0x9
 80001b8:       str     r1, [sp, #0x10]
 80001ba:       bvs     #0x54 <main+0x8a>
 80001bc:       b       #-0x2 <main+0x36>
 80001be:       ldr     r0, [sp, #0x10]
 80001c0:       and     r1, r0, #0x1f
 80001c4:       movs    r2, #0x1
 80001c6:       lsl.w   r1, r2, r1
 80001ca:       lsrs    r2, r0, #0x5
 80001cc:       cmp     r2, #0x0
 80001ce:       str     r1, [sp, #0xc]
 80001d0:       bne     #0x4c <main+0x98>
 80001d2:       b       #-0x2 <main+0x4c>
 80001d4:       movw    r0, #0x1018
 80001d8:       movt    r0, #0x4800
 80001dc:       ldr     r1, [sp, #0xc]
 80001de:       str     r1, [r0]
 80001e0:       movs    r0, #0x1b
; *(GPIOE_BSRR as *mut u32) = 1 << (11 + 16);
 80001e2:       mov     r2, r0
 80001e4:       cmp     r0, #0xb
 80001e6:       str     r2, [sp, #0x8]
 80001e8:       bvs     #0x42 <main+0xa6>
 80001ea:       b       #-0x2 <main+0x64>
 80001ec:       ldr     r0, [sp, #0x8]
 80001ee:       and     r1, r0, #0x1f
 80001f2:       movs    r2, #0x1
 80001f4:       lsl.w   r1, r2, r1
 80001f8:       lsrs    r2, r0, #0x5
 80001fa:       cmp     r2, #0x0
 80001fc:       str     r1, [sp, #0x4]
 80001fe:       bne     #0x3a <main+0xb4>
 8000200:       b       #-0x2 <main+0x7a>
 8000202:       movw    r0, #0x1018
 8000206:       movt    r0, #0x4800
 800020a:       ldr     r1, [sp, #0x4]
 800020c:       str     r1, [r0]
; loop {}
 800020e:       b       #-0x2 <main+0x88>
 8000210:       b       #-0x4 <main+0x88>
; *(GPIOE_BSRR as *mut u32) = 1 << (9 + 16);
 8000212:       movw    r0, #0x41bc
 8000216:       movt    r0, #0x800
 800021a:       bl      #0x3b28
 800021e:       trap
 8000220:       movw    r0, #0x4204
 8000224:       movt    r0, #0x800
 8000228:       bl      #0x3b1a
 800022c:       trap
; *(GPIOE_BSRR as *mut u32) = 1 << (11 + 16);
 800022e:       movw    r0, #0x421c
 8000232:       movt    r0, #0x800
 8000236:       bl      #0x3b0c
 800023a:       trap
 800023c:       movw    r0, #0x4234
 8000240:       movt    r0, #0x800
 8000244:       bl      #0x3afe
 8000248:       trap

LLVMがプログラムに誤った最適化を行うのを、どのようにすれば防げるのでしょうか？通常の読み書きの代わりに、volatile操作を使います。

#![no_main]
#![no_std]

use core::ptr;

#[allow(unused_imports)]
use aux7::{entry, iprint, iprintln};

#[entry]
fn main() -> ! {
    aux7::init();

    unsafe {
        // 魔法のアドレス！
        const GPIOE_BSRR: u32 = 0x48001018;

        // 「北」のLED（赤）を点灯します
        ptr::write_volatile(GPIOE_BSRR as *mut u32, 1 << 9);

        // 「東」のLED（緑）を点灯します
        ptr::write_volatile(GPIOE_BSRR as *mut u32, 1 << 11);

        // 「北」のLEDを消灯します
        ptr::write_volatile(GPIOE_BSRR as *mut u32, 1 << (9 + 16));

        // 「東」のLEDを消灯します
        ptr::write_volatile(GPIOE_BSRR as *mut u32, 1 << (11 + 16));
    }

    loop {}
}

リリースモードでコンパイルされた新しいプログラムの逆アセンブルを見てみます。

$ cargo objdump --bin registers --release -- -d -no-show-raw-insn -print-imm-hex -source
registers:      file format ELF32-arm-little

Disassembly of section .text:
main:
; #[entry]
 8000188:       bl      #0x22
; aux7::init();
 800018c:       movw    r0, #0x1018
 8000190:       mov.w   r1, #0x200
 8000194:       movt    r0, #0x4800
 8000198:       str     r1, [r0]
 800019a:       mov.w   r1, #0x800
 800019e:       str     r1, [r0]
 80001a0:       mov.w   r1, #0x2000000
 80001a4:       str     r1, [r0]
 80001a6:       mov.w   r1, #0x8000000
 80001aa:       str     r1, [r0]
; loop {}
 80001ac:       b       #-0x4 <main+0x24>

4つの書き込み（str命令）が、保たれていることがわかります。（stepi）を使って、これを実行すると、 プログラムの動作も保たれていることがわかります。