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《從0學(xué)arm合集》
一、MDK和GNU偽指令區(qū)別
我們?cè)趯W(xué)習(xí)匯編代碼的時(shí)候經(jīng)過(guò)會(huì)看到以下兩種風(fēng)格的代碼:
gnu代碼開(kāi)頭是:
.global _start
_start: @匯編入口
ldr sp,=0x41000000
.end @匯編程序結(jié)束
MDK代碼開(kāi)頭是:
AREA Example,CODE,READONLY ;聲明代碼段Example
ENTRY ;程序入口
Start
MOV R0,#0
OVER
END
這兩種風(fēng)格的代碼是要使用不同的編譯器,我們之前的實(shí)例代碼都是MDK風(fēng)格的。
那么多對(duì)于我們初學(xué)者來(lái)說(shuō)要學(xué)習(xí)哪種風(fēng)格呢?答案是肯定的,學(xué)習(xí)GNU風(fēng)格的匯編代碼,因?yàn)樽?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/538/" target="_blank">Linux驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)必須掌握的linux內(nèi)核、uboot,而這兩個(gè)軟件就是GNU風(fēng)格的。
為了大家不要把過(guò)多精力浪費(fèi)在暫時(shí)沒(méi)用的知識(shí)上,下面我們只講GNU風(fēng)格匯編。
二、GNU匯編書(shū)寫(xiě)格式:1. 代碼行中的注釋符號(hào):
‘@’ 整行注釋符號(hào):‘?!?語(yǔ)句分離符號(hào):
直接操作數(shù)前綴: ‘?!?或 ‘$’
2. 全局標(biāo)號(hào):
標(biāo)號(hào)只能由a~z,A~Z,0~9,“.”,_等(由點(diǎn)、字母、數(shù)字、下劃線(xiàn)等組成,除局部標(biāo)號(hào)外,不能以數(shù)字開(kāi)頭)字符組成,標(biāo)號(hào)的后面加“:”。
段內(nèi)標(biāo)號(hào)的地址值在匯編時(shí)確定;
段外標(biāo)號(hào)的地址值在連接時(shí)確定。
3. 局部標(biāo)號(hào):
局部標(biāo)號(hào)主要在局部范圍內(nèi)使用而且局部標(biāo)號(hào)可以重復(fù)出現(xiàn)。它由兩部組成開(kāi)頭是一個(gè)0-99直接的數(shù)字局部標(biāo)號(hào) 后面加“:”
F:指示編譯器只向前搜索,代碼行數(shù)增加的方向 / 代碼的下一句
B:指示編譯器只向后搜索,代碼行數(shù)減小的方向
注意局部標(biāo)號(hào)的跳轉(zhuǎn),就近原則「舉例:」
文件位置
arch/arm/kernel/entry-armv.S
三、偽操作
1. 符號(hào)定義偽指令標(biāo)號(hào)含義.global使得符號(hào)對(duì)連接器可見(jiàn),變?yōu)閷?duì)整個(gè)工程可用的全局變量_start匯編程序的缺省入口是_ start標(biāo)號(hào),用戶(hù)也可以在連接腳本文件中用ENTRY標(biāo)志指明其它入口點(diǎn)..local表示符號(hào)對(duì)外部不可見(jiàn),只對(duì)本文件可見(jiàn)2. 數(shù)據(jù)定義(Data Definition)偽操作
數(shù)據(jù)定義偽操作一般用于為特定的數(shù)據(jù)分配存儲(chǔ)單元,同時(shí)可完成已分配存儲(chǔ)單元的初始化。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)定義偽操作有如下幾種:
標(biāo)號(hào)含義.byte單字節(jié)定義 0x12,‘a(chǎn)’,23 【必須偶數(shù)個(gè)】.short定義2字節(jié)數(shù)據(jù) 0x1234,65535.long /.word定義4字節(jié)數(shù)據(jù) 0x12345678.quad定義8字節(jié) .quad 0x1234567812345678.float定義浮點(diǎn)數(shù) .float 0f3.2.string/.a(chǎn)sciz/.a(chǎn)scii定義字符串 .a(chǎn)scii “abcd”, 注意:.a(chǎn)scii 偽操作定義的字符串需要每行添加結(jié)尾字符 '',其他不需要.space/.skip用于分配一塊連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)域并初始化為指定的值,如果后面的填充值省略不寫(xiě)則在后面填充為0;.rept重復(fù)執(zhí)行接下來(lái)的指令,以.rept開(kāi)始,以.endr結(jié)束
【舉例】
.word
val: .word 0x11223344
mov r1,#val ;將值0x11223344設(shè)置到寄存器r1中
.space
label: .space size,expr ;expr可以是4字節(jié)以?xún)?nèi)的浮點(diǎn)數(shù)
a: space 8, 0x1
.rept
.rept cnt ;cnt是重復(fù)次數(shù)
.endr
注意:
變量的定義放在,stop后,.end前標(biāo)號(hào)是地址的助記符,標(biāo)號(hào)不占存儲(chǔ)空間。位置在end前就可以,相對(duì)隨意。3. if選擇
語(yǔ)法結(jié)構(gòu)
.if logical-expressing
……
.else
……
.endif
類(lèi)似c語(yǔ)言里的條件編譯 。
【舉例】
.if val2==1
mov r1,#val2
.endif
4. macro宏定義
.macro,.endm 宏定義類(lèi)似c語(yǔ)言里的宏函數(shù) 。
macro偽操作可以將一段代碼定義為一個(gè)整體,稱(chēng)為宏指令。然后就可以在程序中通過(guò)宏指令多次調(diào)用該段代碼。
語(yǔ)法格式:
.macro {$label} 名字{$parameter{,$parameter}…}
……..code
.endm
其中,$標(biāo)號(hào)在宏指令被展開(kāi)時(shí),標(biāo)號(hào)會(huì)被替換為用戶(hù)定義的符號(hào)。
宏操作可以使用一個(gè)或多個(gè)參數(shù),當(dāng)宏操作被展開(kāi)時(shí),這些參數(shù)被相應(yīng)的值替換。
「注意」:先定義后使用
舉例:
「【例1】:沒(méi)有參數(shù)的宏實(shí)現(xiàn)子函數(shù)返回」
.macro MOV_PC_LR
MOV PC,LR
.endm
調(diào)用方式如下:
MOV_PC_LR
「【例2】:帶參數(shù)宏實(shí)現(xiàn)子函數(shù)返回」
.macro MOV_PC_LR ,param
mov r1,param
MOV PC,LR
.endm
調(diào)用方法如下:
MOV_PC_LR #12
四、雜項(xiàng)偽操作
標(biāo)號(hào)含義.global/用來(lái)聲明一個(gè)全局的符號(hào).a(chǎn)rm定義一下代碼使用ARM指令集編譯.thumb定義一下代碼使用Thumb指令集編譯.section.section expr 定義一個(gè)段。expr可以使.text .data. .bss.text.text {subsection} 將定義符開(kāi)始的代碼編譯到代碼段.data.data {subsection} 將定義符開(kāi)始的代碼編譯到數(shù)據(jù)段,初始化數(shù)據(jù)段.bss.bss {subsection} 將變量存放到.bss段,未初始化數(shù)據(jù)段.a(chǎn)lign.a(chǎn)lign{alignment}{,fill}{,max} 通過(guò)用零或指定的數(shù)據(jù)進(jìn)行填充來(lái)使當(dāng)前位置與指定邊界對(duì)齊
.a(chǎn)lign 4 --- 16字節(jié)對(duì)齊 2的4次方
.a(chǎn)lign (4) --- 4字節(jié)對(duì)齊.org.org offset{,expr} 指定從當(dāng)前地址加上offset開(kāi)始存放代碼,并且從當(dāng)前地址到當(dāng)前地址加上offset之間的內(nèi)存單元,用零或指定的數(shù)據(jù)進(jìn)行填充.extern用于聲明一個(gè)外部符號(hào),用于兼容性其他匯編.code 32同.a(chǎn)rm.code 16同.thumb.weak用于聲明一個(gè)弱符號(hào),如果這個(gè)符號(hào)沒(méi)有定義,編譯就忽略,而不會(huì)報(bào)錯(cuò).end文件結(jié)束.include.include “filename” 包含指定的頭文件, 可以把一個(gè)匯編常量定義放在頭文件中.equ格式:.equ symbol, expression把某一個(gè)符號(hào)(symbol)定義成某一個(gè)值(expression).該指令并不分配空間,類(lèi)似于c語(yǔ)言的 #define.set給一個(gè)全局變量或局部變量賦值,和.equ的功能一樣
舉例:.set
.set start, 0x40
mov r1, #start ;r1里面是0x40
舉例.equ
.equ start, 0x40
mov r1, #start ;r1里面是0x40
#define PI 3.1415
等價(jià)于
.equ PI, 31415
五、GNU偽指令
關(guān)鍵點(diǎn):偽指令在編譯時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的ARM指令
ADR偽指令 :該指令把標(biāo)簽所在的地址加載到寄存器中。ADR偽指令為小范圍地址讀取偽指令,使用的相對(duì)偏移范圍:當(dāng)?shù)刂分凳亲止?jié)對(duì)齊 (8位) 時(shí),取值范圍為-255~255,當(dāng)?shù)刂分凳亲謱?duì)齊 (32位) 時(shí),取值范圍為-1020~1020。語(yǔ)法格式: ADR{cond} register,label
ADR R0, lable
ADRL偽指令:將中等范圍地址讀取到寄存器中
ADRL偽指令為中等范圍地址讀取偽指令。使用相對(duì)偏移范圍:當(dāng)?shù)刂分凳亲止?jié)對(duì)齊時(shí),取值范圍為-64~64KB;當(dāng)?shù)刂分凳亲謱?duì)齊時(shí),取值范圍為-256~256KB
語(yǔ)法格式:
ADRL{cond} register,label
ADRL R0,lable
LDR偽指令:LDR偽指令裝載一個(gè)32位的常數(shù)和一個(gè)地址到寄存器。語(yǔ)法格式:LDR{cond} register,=[expr|label-expr]
LDR R0,=0XFFFF0000 ;mov r1,#0x12 對(duì)比一下
注意:(1)ldr偽指令和ldr指令區(qū)分下面是ldr偽指令:
ldr r1,=val @ r1 = val 是偽指令,將val標(biāo)號(hào)地址賦給r1
【與MDK不一樣,MDK只支持ldr r1,=val】
下面是ldr指令:
ldr r2,val @ r1 = *val 是arm指令,將標(biāo)號(hào)val地址里的內(nèi)容給r2
val: .word 0x11223344
(2)如何利用ldr偽指令實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)
ldr pc,=32位地址
(3)編碼中解決非立即數(shù)的問(wèn)題用arm偽指令ldr
ldr r0,=0x999 ;0x999 不是立即數(shù),
六、GNU匯編的編譯
1. 不含lds文件的編譯
假設(shè)我們有以下代碼,包括1個(gè)main.c文件,1個(gè)start.s文件:start.s
.global _start
_start: @匯編入口
ldr sp,=0x41000000
b main
.global mystrcopy
.text
mystrcopy: //參數(shù)dest->r0,src->r2
LDRB r2, [r1], #1
STRB r2, [r0], #1
CMP r2, #0 //判斷是不是字符串尾
BNE mystrcopy
MOV pc, lr
stop:
b stop @死循環(huán),防止跑飛 等價(jià)于while(1)
.end @匯編程序結(jié)束
main.c
extern void mystrcopy(char *d,const char *s);
int main(void)
{
const char *src ="yikoulinux";
char dest[20]={};
mystrcopy(dest,src);//調(diào)用匯編實(shí)現(xiàn)的mystrcopy函數(shù)
while(1);
return 0;
}
Makefile編寫(xiě)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 $(TARGET).bin
9. clean:
10. rm -rf *.o *.elf *.dis *.bin
Makefile含義如下:
定義環(huán)境變量TARGET=start,start為匯編文件的文件名定義環(huán)境變量TARGETC=main,main為c語(yǔ)言文件目標(biāo):all,4~8行是該指令的指令語(yǔ)句將main.c編譯生成main.o,$(TARGETC)會(huì)被替換成main將start.s編譯生成start.o,$(TARGET)會(huì)被替換成start4-5也可以用該行1條指令實(shí)現(xiàn)通過(guò)ld命令將main.o、start.o鏈接生成start.elf,-Ttext 0x40008000表示設(shè)置代碼段起始地址為0x40008000通過(guò)objcopy將start.elf轉(zhuǎn)換成start.bin文件,-O binary (或--out-target=binary) 輸出為原始的二進(jìn)制文件,-S (或 --strip-all)輸出文件中不要重定位信息和符號(hào)信息,縮小了文件尺寸,clean目標(biāo)clean目標(biāo)的執(zhí)行語(yǔ)句,刪除編譯產(chǎn)生的臨時(shí)文件
【補(bǔ)充】
gcc的代碼優(yōu)化級(jí)別,在 makefile 文件中的編譯命令4級(jí) O0 -- O3 數(shù)字越大,優(yōu)化程度越高。O3最大優(yōu)化volatile作用volatile修飾的變量,編譯器不再進(jìn)行優(yōu)化,每次都真正訪問(wèn)內(nèi)存地址空間。2. 依賴(lài)lds文件編譯
實(shí)際的工程文件,段復(fù)雜程度遠(yuǎn)比我們這個(gè)要復(fù)雜的多,尤其Linux內(nèi)核有幾萬(wàn)個(gè)文件,段的分布及其復(fù)雜,所以這就需要我們借助lds文件來(lái)定義內(nèi)存的分布。
文件列表
main.c和start.s和上一節(jié)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) }
}
解釋一下上述的例子:
OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")指定輸出object檔案預(yù)設(shè)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) 指定輸出的平臺(tái)為arm,可以透過(guò)objdump -i查詢(xún)支持平臺(tái);ENTRY(_start) :將符號(hào)_start的值設(shè)置成入口地址;. = 0x40008000: 把定位器符號(hào)置為0x40008000(若不指定, 則該符號(hào)的初始值為0);.text : { .start.o(.text) *(.text) } :前者表示將start.o放到text段的第一個(gè)位置,后者表示將所有(*符號(hào)代表任意輸入文件)輸入文件的.text section合并成一個(gè).text section;.rodata : { *(.data) } : 將所有輸入文件的.rodata section合并成一個(gè).rodata section;.data : { *(.data) } : 將所有輸入文件的.data section合并成一個(gè).data section;.bss : { *(.bss) } : 將所有輸入文件的.bss section合并成一個(gè).bss section;該段通常存放全局未初始化變量. = ALIGN(4);表示下面的段4字節(jié)對(duì)齊
連接器每讀完一個(gè)section描述后, 將定位器符號(hào)的值增加該section的大小。
來(lái)看下,Makefile應(yīng)該如何寫(xiě):
# 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
編譯結(jié)果如下:
編譯結(jié)果
最終生成start.bin,改文件可以燒錄到開(kāi)發(fā)板測(cè)試,因?yàn)楸纠龥](méi)有直觀現(xiàn)象,后續(xù)文章我們加入其它功能再測(cè)試。
【注意】
其中交叉編譯工具鏈「arm-none-linux-gnueabi-」 要根據(jù)自己實(shí)際的平臺(tái)來(lái)選擇,本例是基于三星的exynos-4412工具鏈實(shí)現(xiàn)的。地址0x40008000也不是隨便選擇的,
exynos4412 地址分布
讀者可以根據(jù)自己手里的開(kāi)發(fā)板對(duì)應(yīng)的soc手冊(cè)查找該地址。
linux內(nèi)核的異常向量表
linux內(nèi)核的內(nèi)存分布也是依賴(lài)lds文件定義的,linux內(nèi)核的編譯我們暫不討論,編譯好之后會(huì)再以下位置生成對(duì)應(yīng)的lds文件:
arch/arm/kernel/vmlinux.lds
我們看下該文件的部分內(nèi)容:
vmlinux.ldsOUTPUT_ARCH(arm)制定對(duì)應(yīng)的處理器;ENTRY(stext)表示程序的入口是stext。
同時(shí)我們也可以看到linux內(nèi)存的劃分更加的復(fù)雜,后續(xù)我們討論linux內(nèi)核,再繼續(xù)分析該文件。
3. elf文件和bin文件區(qū)別:1) ELF
ELF文件格式是一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn),各種UNIX系統(tǒng)的可執(zhí)行文件都采用ELF格式,它有三種不同的類(lèi)型:
可重定位的目標(biāo)文件(Relocatable,或者Object File)可執(zhí)行文件(Executable)共享庫(kù)(Shared Object,或者Shared Library)
ELF格式提供了兩種不同的視角,鏈接器把ELF文件看成是Section的集合,而加載器把ELF文件看成是Segment的集合。
2) bin
BIN文件是直接的二進(jìn)制文件,內(nèi)部沒(méi)有地址標(biāo)記。bin文件內(nèi)部數(shù)據(jù)按照代碼段或者數(shù)據(jù)段的物理空間地址來(lái)排列。一般用編程器燒寫(xiě)時(shí)從00開(kāi)始,而如果下載運(yùn)行,則下載到編譯時(shí)的地址即可。
在Linux OS上,為了運(yùn)行可執(zhí)行文件,他們是遵循ELF格式的,通常gcc -o test test.c,生成的test文件就是ELF格式的,這樣就可以運(yùn)行了,執(zhí)行elf文件,則內(nèi)核會(huì)使用加載器來(lái)解析elf文件并執(zhí)行。
在Embedded中,如果上電開(kāi)始運(yùn)行,沒(méi)有OS系統(tǒng),如果將ELF格式的文件燒寫(xiě)進(jìn)去,包含一些ELF文件的符號(hào)表字符表之類(lèi)的section,運(yùn)行碰到這些,就會(huì)導(dǎo)致失敗,如果用objcopy生成純粹的二進(jìn)制文件,去除掉符號(hào)表之類(lèi)的section,只將代碼段數(shù)據(jù)段保留下來(lái),程序就可以一步一步運(yùn)行。
elf文件里面包含了符號(hào)表等。BIN文件是將elf文件中的代碼段,數(shù)據(jù)段,還有一些自定義的段抽取出來(lái)做成的一個(gè)內(nèi)存的鏡像。
并且elf文件中代碼段數(shù)據(jù)段的位置并不是它實(shí)際的物理位置。他實(shí)際物理位置是在表中標(biāo)記出來(lái)的。
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