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技术文章:从0学ARM-汇编伪指令、lds详解

发布时间:2023-08-23 发布时间:
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ARM邪猎文章,请点击以下汇总链接:

《从0学arm合集》

一、MDK和GNU伪指令区别

我们在学习汇编代码的时候经过会看到以下两种风格的代码:

gnu代码开头是:

.global _start
_start:      @汇编入口
ldr sp,=0x41000000
.end         @汇编程序结束

MDK代码开头是:

AREA Example,CODE,READONLY    ;声明代码段Example
ENTRY ;程序入口
Start            
MOV R0,#0    
OVER
END

这两种风格的代码是要使用不同的编译器,我们之前的实例代码都是MDK风格的。

那么多对于我们初学者来说要学习哪种风格呢?答案是肯定的,学习GNU风格的汇编代码,因为做Linux驱动开发必须掌握的linux内核、uboot,而这两个软件就是GNU风格的。

为了大家不要把过多精力浪费在暂时没用的知识上,下面我们只讲GNU风格汇编。

二、GNU汇编书写格式:1. 代码行中的注释符号:

‘@’ 整行注释符号:‘#’ 语句分离符号:
直接操作数前缀: ‘#’ 或 ‘$’

2. 全局标号:

标号只能由a~z,A~Z,0~9,“.”,_等(由点、字母、数字、下划线等组成,除局部标号外,不能以数字开头)字符组成,标号的后面加“:”。

段内标号的地址值在汇编时确定;
段外标号的地址值在连接时确定。
3. 局部标号:

局部标号主要在局部范围内使用而且局部标号可以重复出现。它由两部组成开头是一个0-99直接的数字局部标号 后面加“:”

F:指示编译器只向前搜索,代码行数增加的方向 / 代码的下一句
B:指示编译器只向后搜索,代码行数减小的方向

注意局部标号的跳转,就近原则「举例:」

文件位置
arch/arm/kernel/entry-armv.S

三、伪操作

1. 符号定义伪指令标号含义.global使得符号对连接器可见,变为对整个工程可用的全局变量_start汇编程序的缺省入口是_ start标号,用户也可以在连接脚本文件中用ENTRY标志指明其它入口点..local表示符号对外部不可见,只对本文件可见2. 数据定义(Data Definition)伪操作

数据定义伪操作一般用于为特定的数据分配存储单元,同时可完成已分配存储单元的初始化。常见的数据定义伪操作有如下几种:

标号含义.byte单字节定义               0x12,‘a’,23    【必须偶数个】.short定义2字节数据         0x1234,65535.long /.word定义4字节数据          0x12345678.quad定义8字节       .quad     0x1234567812345678.float定义浮点数       .float    0f3.2.string/.asciz/.ascii定义字符串       .ascii   “abcd”,    注意:.ascii  伪操作定义的字符串需要每行添加结尾字符 '',其他不需要.space/.skip用于分配一块连续的存储区域并初始化为指定的值,如果后面的填充值省略不写则在后面填充为0;.rept重复执行接下来的指令,以.rept开始,以.endr结束

【举例】

.word

val:   .word  0x11223344
mov r1,#val  ;将值0x11223344设置到寄存器r1中

.space

  label: .space size,expr     ;expr可以是4字节以内的浮点数
  a:  space 8, 0x1

.rept

.rept cnt   ;cnt是重复次数
.endr

注意:

变量的定义放在,stop后,.end前标号是地址的助记符,标号不占存储空间。位置在end前就可以,相对随意。3. if选择

语法结构

.if  logical-expressing
 ……                                  
.else
 ……
.endif    

类似c语言里的条件编译 。

【举例】

.if  val2==1
mov r1,#val2
.endif
4. macro宏定义

.macro,.endm 宏定义类似c语言里的宏函数 。

macro伪操作可以将一段代码定义为一个整体,称为宏指令。然后就可以在程序中通过宏指令多次调用该段代码。

语法格式:

  .macro    {$label} 名字{$parameter{,$parameter}…}
   ……..code
  .endm

其中,$标号在宏指令被展开时,标号会被替换为用户定义的符号。

宏操作可以使用一个或多个参数,当宏操作被展开时,这些参数被相应的值替换。

「注意」:先定义后使用

举例:

「【例1】:没有参数的宏实现子函数返回」

.macro MOV_PC_LR
   MOV PC,LR
.endm
调用方式如下:
   MOV_PC_LR

「【例2】:带参数宏实现子函数返回」

.macro MOV_PC_LR ,param
   mov r1,param
   MOV PC,LR
.endm

调用方法如下:

MOV_PC_LR  #12

四、杂项伪操作

标号含义.global/用来声明一个全局的符号.arm定义一下代码使用ARM指令集编译.thumb定义一下代码使用Thumb指令集编译.section.section     expr     定义一个段。expr可以使.text   .data.   .bss.text.text {subsection}    将定义符开始的代码编译到代码段.data.data {subsection}    将定义符开始的代码编译到数据段,初始化数据段.bss.bss {subsection}     将变量存放到.bss段,未初始化数据段.align.align{alignment}{,fill}{,max}  通过用零或指定的数据进行填充来使当前位置与指定边界对齐
.align  4     --- 16字节对齐 2的4次方
.align  (4)   --- 4字节对齐.org.org offset{,expr}    指定从当前地址加上offset开始存放代码,并且从当前地址到当前地址加上offset之间的内存单元,用零或指定的数据进行填充.extern用于声明一个外部符号,用于兼容性其他汇编.code 32同.arm.code 16同.thumb.weak用于声明一个弱符号,如果这个符号没有定义,编译就忽略,而不会报错.end文件结束.include.include “filename” 包含指定的头文件, 可以把一个汇编常量定义放在头文件中.equ格式:.equ    symbol,    expression把某一个符号(symbol)定义成某一个值(expression).该指令并不分配空间,类似于c语言的 #define.set给一个全局变量或局部变量赋值,和.equ的功能一样

举例:.set

.set start, 0x40
mov r1, #start      ;r1里面是0x40

举例.equ

.equ   start,  0x40                                      
mov r1, #start      ;r1里面是0x40    
#define  PI  3.1415

等价于

.equ   PI, 31415

五、GNU伪指令

关键点:伪指令在编译时会转化为对应的ARM指令

ADR伪指令 :该指令把标签所在的地址加载到寄存器中。ADR伪指令为小范围地址读取伪指令,使用的相对偏移范围:当地址值是字节对齐 (8位) 时,取值范围为-255~255,当地址值是字对齐 (32位) 时,取值范围为-1020~1020。语法格式:   ADR{cond}   register,label
ADR      R0,  lable
ADRL伪指令:将中等范围地址读取到寄存器中

ADRL伪指令为中等范围地址读取伪指令。使用相对偏移范围:当地址值是字节对齐时,取值范围为-64~64KB;当地址值是字对齐时,取值范围为-256~256KB

语法格式:

ADRL{cond}   register,label
ADRL        R0,lable
LDR伪指令:LDR伪指令装载一个32位的常数和一个地址到寄存器。语法格式:LDR{cond}  register,=[expr|label-expr]
LDR    R0,=0XFFFF0000      ;mov r1,#0x12   对比一下

注意:(1)ldr伪指令和ldr指令区分下面是ldr伪指令:

ldr r1,=val  @ r1 = val   是伪指令,将val标号地址赋给r1    
【与MDK不一样,MDK只支持ldr r1,=val】

下面是ldr指令:

ldr r2,val   @ r1 = *val    是arm指令,将标号val地址里的内容给r2
val: .word 0x11223344

(2)如何利用ldr伪指令实现长跳转

 ldr  pc,=32位地址

(3)编码中解决非立即数的问题用arm伪指令ldr

ldr r0,=0x999   ;0x999  不是立即数,

六、GNU汇编的编译

1. 不含lds文件的编译

假设我们有以下代码,包括1个main.c文件,1个start.s文件:start.s

.global _start
_start:      @汇编入口
ldr sp,=0x41000000
b main
.global mystrcopy
.text
mystrcopy: //参数dest->r0,src->r2
 LDRB r2, [r1], #1
 STRB r2, [r0], #1
 CMP r2, #0 //判断是不是字符串尾
 BNE mystrcopy
 MOV pc, lr
stop:
b stop   @死循环,防止跑飞 等价于while(1)
.end         @汇编程序结束

main.c

extern void mystrcopy(char *d,const char *s);
int main(void)

const char *src ="yikoulinux";
char dest[20]={};
mystrcopy(dest,src);//调用汇编实现的mystrcopy函数
while(1);
   return 0;

Makefile编写方法如下:

1. TARGET=start  
2. TARGETC=main
3. all:
4.   arm-none-linux-gnueabi-gcc -O0 -g -c -o $(TARGETC).o  $(TARGETC).c
5.    arm-none-linux-gnueabi-gcc -O0 -g -c -o $(TARGET).o $(TARGET).s
6.    #arm-none-linux-gnueabi-gcc -O0 -g -S -o $(TARGETC).s  $(TARGETC).c  
7.    arm-none-linux-gnueabi-ld $(TARGETC).o $(TARGET).o -Ttext 0x40008000 -o $(TARGET).elf
8.    arm-none-linux-gnueabi-objcopy   -O binary -S  $(TARGET).elf  $(TARGET).bin
9. clean:
10.  rm -rf *.o *.elf *.dis *.bin

Makefile含义如下:

定义环境变量TARGET=start,start为汇编文件的文件名定义环境变量TARGETC=main,main为c语言文件目标:all,4~8行是该指令的指令语句将main.c编译生成main.o,$(TARGETC)会被替换成main将start.s编译生成start.o,$(TARGET)会被替换成start4-5也可以用该行1条指令实现通过ld命令将main.o、start.o链接生成start.elf,-Ttext 0x40008000表示设置代码段起始地址为0x40008000通过objcopy将start.elf转换成start.bin文件,-O binary (或--out-target=binary) 输出为原始的二进制文件,-S (或 --strip-all)输出文件中不要重定位信息和符号信息,缩小了文件尺寸,clean目标clean目标的执行语句,删除编译产生的临时文件

【补充】

gcc的代码优化级别,在 makefile 文件中的编译命令4级  O0 -- O3  数字越大,优化程度越高。O3最大优化volatile作用volatile修饰的变量,编译器不再进行优化,每次都真正访问内存地址空间。2. 依赖lds文件编译

实际的工程文件,段复杂程度远比我们这个要复杂的多,尤其Linux内核有几万个文件,段的分布及其复杂,所以这就需要我们借助lds文件来定义内存的分布。

文件列表

main.c和start.s和上一节一致。

map.lds

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
OUTPUT_FORMAT("elf32-arm", "elf32-arm", "elf32-arm")
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS

. = 0x40008000;
. = ALIGN(4);
.text      :

 .start.o(.text)
 *(.text)

. = ALIGN(4);
   .rodata :
{ *(.rodata) }
   . = ALIGN(4);
   .data :
{ *(.data) }
   . = ALIGN(4);
   .bss :
    { *(.bss) }

解释一下上述的例子:

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")指定输出object档案预设的binary 文件格式。可以使用objdump -i列出支持的binary 文件格式;OUTPUT_ARCH(arm) 指定输出的平台为arm,可以透过objdump -i查询支持平台;ENTRY(_start) :将符号_start的值设置成入口地址;. = 0x40008000: 把定位器符号置为0x40008000(若不指定, 则该符号的初始值为0);.text : { .start.o(.text) *(.text) } :前者表示将start.o放到text段的第一个位置,后者表示将所有(*符号代表任意输入文件)输入文件的.text section合并成一个.text section;.rodata : { *(.data) } : 将所有输入文件的.rodata section合并成一个.rodata section;.data : { *(.data) } : 将所有输入文件的.data section合并成一个.data section;.bss : { *(.bss) } : 将所有输入文件的.bss section合并成一个.bss section;该段通常存放全局未初始化变量. = ALIGN(4);表示下面的段4字节对齐

连接器每读完一个section描述后, 将定位器符号的值增加该section的大小。

来看下,Makefile应该如何写:

# CORTEX-A9 PERI DRIVER CODE
# VERSION 1.0
# ATHUOR 一口Linux
# MODIFY DATE
# 2020.11.17  Makefile
#=================================================#
CROSS_COMPILE = arm-none-linux-gnueabi-
NAME =start
CFLAGS=-mfloat-abi=softfp -mfpu=vfpv3 -mabi=apcs-gnu -fno-builtin  -fno-builtin-function -g -O0 -c                                  
LD = $(CROSS_COMPILE)ld
CC = $(CROSS_COMPILE)gcc
OBJCOPY = $(CROSS_COMPILE)objcopy
OBJDUMP = $(CROSS_COMPILE)objdump
OBJS=start.o  main.o
#================================================#
all:  $(OBJS)
$(LD)  $(OBJS) -T map.lds -o $(NAME).elf
$(OBJCOPY)  -O binary  $(NAME).elf $(NAME).bin
$(OBJDUMP) -D $(NAME).elf > $(NAME).dis
%.o: %.S
$(CC) $(CFLAGS) -c -o  $@ $<
%.o: %.s
$(CC) $(CFLAGS) -c -o  $@ $<
%.o: %.c
$(CC) $(CFLAGS) -c -o  $@ $<
clean:
rm -rf $(OBJS) *.elf *.bin *.dis *.o

编译结果如下:

编译结果

最终生成start.bin,改文件可以烧录到开发板测试,因为本例没有直观现象,后续文章我们加入其它功能再测试。

【注意】

其中交叉编译工具链「arm-none-linux-gnueabi-」 要根据自己实际的平台来选择,本例是基于三星的exynos-4412工具链实现的。地址0x40008000也不是随便选择的,

exynos4412 地址分布

读者可以根据自己手里的开发板对应的soc手册查找该地址。

linux内核的异常向量表

linux内核的内存分布也是依赖lds文件定义的,linux内核的编译我们暂不讨论,编译好之后会再以下位置生成对应的lds文件:

arch/arm/kernel/vmlinux.lds

我们看下该文件的部分内容:

vmlinux.ldsOUTPUT_ARCH(arm)制定对应的处理器;ENTRY(stext)表示程序的入口是stext。

同时我们也可以看到linux内存的划分更加的复杂,后续我们讨论linux内核,再继续分析该文件。

3. elf文件和bin文件区别:1) ELF

ELF文件格式是一个开放标准,各种UNIX系统的可执行文件都采用ELF格式,它有三种不同的类型:

可重定位的目标文件(Relocatable,或者Object File)可执行文件(Executable)共享库(Shared Object,或者Shared Library)

ELF格式提供了两种不同的视角,链接器把ELF文件看成是Section的集合,而加载器把ELF文件看成是Segment的集合。

2) bin

BIN文件是直接的二进制文件,内部没有地址标记。bin文件内部数据按照代码段或者数据段的物理空间地址来排列。一般用编程器烧写时从00开始,而如果下载运行,则下载到编译时的地址即可。

在Linux OS上,为了运行可执行文件,他们是遵循ELF格式的,通常gcc -o test test.c,生成的test文件就是ELF格式的,这样就可以运行了,执行elf文件,则内核会使用加载器来解析elf文件并执行。

在Embedded中,如果上电开始运行,没有OS系统,如果将ELF格式的文件烧写进去,包含一些ELF文件的符号表字符表之类的section,运行碰到这些,就会导致失败,如果用objcopy生成纯粹的二进制文件,去除掉符号表之类的section,只将代码段数据段保留下来,程序就可以一步一步运行。

elf文件里面包含了符号表等。BIN文件是将elf文件中的代码段,数据段,还有一些自定义的段抽取出来做成的一个内存的镜像。

并且elf文件中代码段数据段的位置并不是它实际的物理位置。他实际物理位置是在表中标记出来的。


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