从0学ARM-汇编伪指令、LDS详解

 

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 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:

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

MDK代码开头是:

 
 
 
 
  1.  AREA Example,CODE,READONLY    ;声明代码段Example 
  2.  ENTRY ;程序入口 
  3. Start              
  4.  MOV R0,#0      
  5. OVER 
  6.  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“:”

 
 
 
 
  1. 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 
  2. 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:」

 
 
 
 
  1. 文件位置 
  2. arch/arm/kernel/entry-armv.S 

 

三、伪操作:

1. 符号定义伪指令

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:

【举例】

.word

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

.space

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

.rept

 
 
 
 
  1. .rept cnt   ;cnt是重复次数 
  2. .endr 

注意:

  1. 变量的定义放在,stop后,.end前
  2. 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

 
 
 
 
  1. .if  logical-expressing  
  2.   ……                                    
  3. .else 
  4.   …… 
  5. .endif     

类似c语言里的条件编译 。

【举例】

 
 
 
 
  1. .if  val2==1 
  2.  mov r1,#val2 
  3. .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:

 
 
 
 
  1. .macro    {$label} 名字{$parameter{,$parameter}…} 
  2.  ……..code 
  3. .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」

 
 
 
 
  1. .macro MOV_PC_LR 
  2.    MOV PC,LR 
  3. .endm 

 
 
 
 
  1. 调用方式如下: 
  2.     MOV_PC_LR 

「【例2】:带参数宏实现子函数返回」

 
 
 
 
  1. .macro MOV_PC_LR ,param 
  2.    mov r1,\param 
  3.    MOV PC,LR 
  4. .endm 

调用方法如下:

 
 
 
 
  1. MOV_PC_LR  #12 

四、杂项伪操作

举例:.set

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

举例 .equ

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

等价于

 
 
 
 
  1. .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

1.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:

 
 
 
 
  1. ADR{cond}   register,label 
  2. R      R0,  lable 

2.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:

 
 
 
 
  1. ADRL{cond}   register,label 
  2. ADRL        R0,lable 

3.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:

 
 
 
 
  1. LDR{cond}  register,=[expr|label-expr] 
  2. 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:

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

下面是ldr指令:

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

(2)如何利用ldr伪指令实现长跳转

 
 
 
 
  1. 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

 
 
 
 
  1. 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

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

main.c

 
 
 
 
  1. extern void mystrcopy(char *d,const char *s); 
  2. int main(void) 
  3.  const char *src ="yikoulinux"; 
  4.  char dest[20]={}; 
  5.  mystrcopy(dest,src);//调用汇编实现的mystrcopy函数 
  6.  while(1); 
  7.     return 0; 

Makefile编写方法如下:

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

Makefile含义如下:

  1. 定义环境变量TARGET=start,start为汇编文件的文件名
  2. 定义环境变量TARGETC=main,main为c语言文件
  3. 目标:all,4~8行是该指令的指令语句
  4. 将main.c编译生成main.o,$(TARGETC)会被替换成main
  5. 将start.s编译生成start.o,$(TARGET)会被替换成start
  6. 4-5也可以用该行1条指令实现
  7. 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
  8. 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,
  9. clean目标
  10. clean目标的执行语句,删除编译产生的临时文件

【补充】

  1. 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
  2. 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

 
 
 
 
  1. OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm") 
  2. /*OUTPUT_FORMAT("elf32-arm", "elf32-arm", "elf32-arm")*/ 
  3. OUTPUT_ARCH(arm) 
  4. ENTRY(_start) 
  5. SECTIONS 
  6.  . = 0x40008000; 
  7.  . = ALIGN(4); 
  8.  .text      : 
  9.  { 
  10.   .start.o(.text) 
  11.   *(.text) 
  12.  } 
  13.  . = ALIGN(4); 
  14.     .rodata :  
  15.  { *(.rodata) } 
  16.     . = ALIGN(4); 
  17.     .data :  
  18.  { *(.data) } 
  19.     . = ALIGN(4); 
  20.     .bss : 
  21.      { *(.bss) } 

解释一下上述的例子:

  1. 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;
  2. OUTPUT_ARCH(arm) 指定输出的平台为arm,可以透过objdump -i查询支持平台;
  3. ENTRY(_start) :将符号_start的值设置成入口地址;
  4. . = 0x40008000: 把定位器符号置为0x40008000(若不指定, 则该符号的初始值为0);
  5. .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;
  6. .rodata : { *(.data) } : 将所有输入文件的.rodata section合并成一个.rodata section;
  7. .data : { *(.data) } : 将所有输入文件的.data section合并成一个.data section;
  8. .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
  9. . = 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:

 
 
 
 
  1. # CORTEX-A9 PERI DRIVER CODE 
  2. # VERSION 1.0 
  3. # ATHUOR 一口Linux 
  4. # MODIFY DATE 
  5. # 2020.11.17  Makefile 
  6. #=================================================# 
  7. CROSS_COMPILE = arm-none-linux-gnueabi- 
  8. NAME =start 
  9. CFLAGS=-mfloat-abi=softfp -mfpu=vfpv3 -mabi=apcs-gnu -fno-builtin  -fno-builtin-function -g -O0 -c                                    
  10. LD = $(CROSS_COMPILE)ld 
  11. CC = $(CROSS_COMPILE)gcc 
  12. OBJCOPY = $(CROSS_COMPILE)objcopy 
  13. OBJDUMP = $(CROSS_COMPILE)objdump 
  14. OBJS=start.o  main.o 
  15. #================================================# 
  16. all:  $(OBJS) 
  17.  $(LD)  $(OBJS) -T map.lds -o $(NAME).elf 
  18.  $(OBJCOPY)  -O binary  $(NAME).elf $(NAME).bin  
  19.  $(OBJDUMP) -D $(NAME).elf > $(NAME).dis  
  20. %.o: %.S  
  21.  $(CC) $(CFLAGS) -c -o  $@ $< 
  22. %.o: %.s  
  23.  $(CC) $(CFLAGS) -c -o  $@ $< 
  24. %.o: %.c 
  25.  $(CC) $(CFLAGS) -c -o  $@ $< 
  26. clean: 
  27.  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】

  1. 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。
  2. 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:

 
 
 
 
  1. arch/arm/kernel/vmlinux.lds 

我们看下该文件的部分内容:

vmlinux.lds

OUTPUT_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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