從0學ARM-匯編偽指令、LDS詳解
一、MDK和/GNU偽指令區(qū)別
我們在學習匯編代碼的時候經(jīng)過會看到以下兩種風格的代碼：
gnu代碼開頭是：
- .global _start
- _start: @匯編入口
- ldr sp,=0x41000000
- .end @匯編程序結束
MDK代碼開頭是：
- AREA Example,CODE,READONLY ;聲明代碼段Example
- ENTRY ;程序入口
- Start
- MOV R0,#0
- OVER
- END
這兩種風格的代碼是要使用不同的編譯器，我們之前的實例代碼都是MDK風格的。
那么多對于我們初學者來說要學習哪種風格呢?答案是肯定的，學習GNU風格的匯編代碼，因為做Linux驅動開發(fā)必須掌握的linux內核、uboot，而這兩個軟件就是GNU風格的。
為了大家不要把過多精力浪費在暫時沒用的知識上，下面我們只講GNU風格匯編。
二、GNU匯編書寫格式：
1. 代碼行中的注釋符號:
‘@’ 整行注釋符號: ‘#’ 語句分離符號:
直接操作數(shù)前綴: ‘#’ 或 ‘$’
2. 全局標號：
標號只能由a～z，A～Z，0～9，“.”，_等(由點、字母、數(shù)字、下劃線等組成，除局部標號外，不能以數(shù)字開頭)字符組成，標號的后面加“：”。
段內標號的地址值在匯編時確定;段外標號的地址值在連接時確定。
3. 局部標號:
局部標號主要在局部范圍內使用而且局部標號可以重復出現(xiàn)。它由兩部組成開頭是一個0-99直接的數(shù)字局部標號 后面加“:”
- F：指示編譯器只向前搜索，代碼行數(shù)增加的方向 / 代碼的下一句
- B：指示編譯器只向后搜索，代碼行數(shù)減小的方向
注意局部標號的跳轉，就近原則「舉例：」
- 文件位置
- arch/arm/kernel/entry-armv.S
三、偽操作：
1. 符號定義偽指令
2. 數(shù)據(jù)定義(Data Definition)偽操作
數(shù)據(jù)定義偽操作一般用于為特定的數(shù)據(jù)分配存儲單元，同時可完成已分配存儲單元的初始化。常見的數(shù)據(jù)定義偽操作有如下幾種：
【舉例】
.word
- val: .word 0x11223344
- mov r1,#val ;將值0x11223344設置到寄存器r1中
.space
- label: .space size,expr ;expr可以是4字節(jié)以內的浮點數(shù)
- a: space 8, 0x1
.rept
- .rept cnt ;cnt是重復次數(shù)
- .endr
注意：
- 變量的定義放在，stop后，.end前
- 標號是地址的助記符，標號不占存儲空間。位置在end前就可以，相對隨意。
3. if選擇
語法結構
- .if logical-expressing
- ……
- .else
- ……
- .endif
類似c語言里的條件編譯 。
【舉例】
- .if val2==1
- mov r1,#val2
- .endif
4. macro宏定義.
macro，.endm 宏定義類似c語言里的宏函數(shù) 。
macro偽操作可以將一段代碼定義為一個整體，稱為宏指令。然后就可以在程序中通過宏指令多次調用該段代碼。
語法格式：
- .macro {$label} 名字{$parameter{,$parameter}…}
- ……..code
- .endm
其中，$標號在宏指令被展開時，標號會被替換為用戶定義的符號。
宏操作可以使用一個或多個參數(shù)，當宏操作被展開時，這些參數(shù)被相應的值替換。
「注意」：先定義后使用
舉例：
「【例1】：沒有參數(shù)的宏實現(xiàn)子函數(shù)返回」
- .macro MOV_PC_LR
- MOV PC,LR
- .endm
- 調用方式如下：
- MOV_PC_LR
「【例2】：帶參數(shù)宏實現(xiàn)子函數(shù)返回」
- .macro MOV_PC_LR ,param
- mov r1,\param
- MOV PC,LR
- .endm
調用方法如下:
- MOV_PC_LR #12
四、雜項偽操作
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
等價于
- .equ PI, 31415
五、GNU偽指令
關鍵點：偽指令在編譯時會轉化為對應的ARM指令
1.ADR偽指令 ：該指令把標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，使用的相對偏移范圍：當?shù)刂分凳亲止?jié)對齊 (8位) 時，取值范圍為-255～255，當?shù)刂分凳亲謱R (32位) 時，取值范圍為-1020～1020。語法格式:
- ADR{cond} register,label
- R R0, lable
2.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。使用相對偏移范圍：當?shù)刂分凳亲止?jié)對齊時，取值范圍為-64～64KB;當?shù)刂分凳亲謱R時，取值范圍為-256～256KB
語法格式：
- ADRL{cond} register,label
- ADRL R0，lable
3.LDR偽指令: LDR偽指令裝載一個32位的常數(shù)和一個地址到寄存器。語法格式：
- LDR{cond} register,=[expr|label-expr]
- LDR R0，=0XFFFF0000 ；mov r1,#0x12 對比一下
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標號地址賦給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,將標號val地址里的內容給r2
- val: .word 0x11223344
(2)如何利用ldr偽指令實現(xiàn)長跳轉
- ldr pc，=32位地址
(3)編碼中解決非立即數(shù)的問題 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
假設我們有以下代碼，包括1個main.c文件，1個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 等價于while(1)
- .end @匯編程序結束
main.c
- extern void mystrcopy(char *d,const char *s);
- int main(void)
- {
- const char *src ="yikoulinux";
- char dest[20]={};
- mystrcopy(dest,src);//調用匯編實現(xiàn)的mystrcopy函數(shù)
- while(1);
- return 0;
- }
Makefile編寫方法如下：
- 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 $(TARGET).bin
- 9. clean:
- 10. rm -rf *.o *.elf *.dis *.bin
Makefile含義如下：
- 定義環(huán)境變量TARGET=start，start為匯編文件的文件名
- 定義環(huán)境變量TARGETC=main，main為c語言文件
- 目標：all，4~8行是該指令的指令語句
- 將main.c編譯生成main.o,$(TARGETC)會被替換成main
- 將start.s編譯生成start.o,$(TARGET)會被替換成start
- 4-5也可以用該行1條指令實現(xiàn)
- 通過ld命令將main.o、start.o鏈接生成start.elf,-Ttext 0x40008000表示設置代碼段起始地址為0x40008000
- 通過objcopy將start.elf轉換成start.bin文件，-O binary (或--out-target=binary) 輸出為原始的二進制文件,-S (或 --strip-all)輸出文件中不要重定位信息和符號信息，縮小了文件尺寸，
- clean目標
- clean目標的執(zhí)行語句，刪除編譯產(chǎn)生的臨時文件
【補充】
- gcc的代碼優(yōu)化級別，在 makefile 文件中的編譯命令 4級 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，編譯器不再進行優(yōu)化，每次都真正訪問內存地址空間。
2. 依賴lds文件編譯
實際的工程文件，段復雜程度遠比我們這個要復雜的多，尤其Linux內核有幾萬個文件，段的分布及其復雜，所以這就需要我們借助lds文件來定義內存的分布。
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檔案預設的binary 文件格式?？梢允褂胦bjdump -i列出支持的binary 文件格式;
- OUTPUT_ARCH(arm) 指定輸出的平臺為arm，可以透過objdump -i查詢支持平臺;
- ENTRY(_start) ：將符號_start的值設置成入口地址;
- . = 0x40008000: 把定位器符號置為0x40008000(若不指定, 則該符號的初始值為0);
- .text : { .start.o(.text) *(.text) } :前者表示將start.o放到text段的第一個位置，后者表示將所有(*符號代表任意輸入文件)輸入文件的.text section合并成一個.text section;
- .rodata : { *(.data) } : 將所有輸入文件的.rodata section合并成一個.rodata section;
- .data : { *(.data) } : 將所有輸入文件的.data section合并成一個.data section;
- .bss : { *(.bss) } : 將所有輸入文件的.bss section合并成一個.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)對齊
連接器每讀完一個section描述后, 將定位器符號的值增加該section的大小。
來看下，Makefile應該如何寫：
- # 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
編譯結果如下：
編譯結果
最終生成start.bin,改文件可以燒錄到開發(fā)板測試，因為本例沒有直觀現(xiàn)象，后續(xù)文章我們加入其它功能再測試。
【注意】
- 其中交叉編譯工具鏈「arm-none-linux-gnueabi-」 要根據(jù)自己實際的平臺來選擇，本例是基于三星的exynos-4412工具鏈實現(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)自己手里的開發(fā)板對應的soc手冊查找該地址。
linux內核的異常向量表
linux內核的內存分布也是依賴lds文件定義的，linux內核的編譯我們暫不討論，編譯好之后會再以下位置生成對應的lds文件:
- arch/arm/kernel/vmlinux.lds
我們看下該文件的部分內容：
vmlinux.lds
OUTPUT_ARCH(arm)制定對應的處理器;
ENTRY(stext)表示程序的入口是stext。
同時我們也可以看到linux內存的劃分更加的復雜，后續(xù)我們討論linux內核，再繼續(xù)分析該文件。
3. elf文件和bin文件區(qū)別：
1) ELF
ELF文件格式是一個開放標準，各種UNIX系統(tǒng)的可執(zhí)行文件都采用ELF格式，它有三種不同的類型：
- 可重定位的目標文件(Relocatable，或者Object File)
- 可執(zhí)行文件(Executable)
- 共享庫(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文件是直接的二進制文件，內部沒有地址標記。bin文件內部數(shù)據(jù)按照代碼段或者數(shù)據(jù)段的物理空間地址來排列。一般用編程器燒寫時從00開始，而如果下載運行，則下載到編譯時的地址即可。
在Linux OS上，為了運行可執(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，這樣就可以運行了，執(zhí)行elf文件，則內核會使用加載器來解析elf文件并執(zhí)行。
在Embedded中，如果上電開始運行，沒有OS系統(tǒng)，如果將ELF格式的文件燒寫進去，包含一些ELF文件的符號表字符表之類的section，運行碰到這些，就會導致失敗，如果用objcopy生成純粹的二進制文件，去除掉符號表之類的section，只將代碼段數(shù)據(jù)段保留下來，程序就可以一步一步運行。
elf文件里面包含了符號表等。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做成的一個內存的鏡像。
并且elf文件中代碼段數(shù)據(jù)段的位置并不是它實際的物理位置。他實際物理位置是在表中標記出來的。
