7. 從0學ARM-GNU編程、lds文件詳解

一口Linux 2021-01-08 11:16 601 閱讀 2 贊 4 收藏 3 評論

一、MDK和GNU偽指令區別

我們在學習匯編代碼的時候經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、數字、下劃線等組成，除局部標號外，不能以數字開頭）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。它由兩部組成開頭是一個0-99直接的數字局部標號后面加“:”

F：指示編譯器只向前搜索，代碼行數增加的方向 / 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

標號含義

.global 使得符號對連接器可見，變為對整個工程可用的全局變量

_start 匯編程序的缺省入口是_ start標號,用戶也可以在連接腳本文件中用ENTRY標志指明其它入口點.

.local 表示符號對外部不可見，只對本文件可見

2. 數據定義（Data Definition）偽操作

數據定義偽操作一般用于為特定的數據分配存儲單元，同時可完成已分配存儲單元的初始化。常見的數據定義偽操作有如下幾種：

標號含義

.byte 單字節定義 0x12,‘a’,23 【必須偶數個】

.short 定義2字節數據 0x1234,65535

.long /.word 定義4字節數據 0x12345678

.quad 定義8字節 .quad 0x1234567812345678

.float 定義浮點數 .float 0f3.2

.string/.asciz/.ascii 定義字符串 .ascii “abcd\0”, 注意：.ascii 偽操作定義的字符串需要每行添加結尾字符 '\0'，其他不需要

.space/.skip 用于分配一塊連續的存儲區域并初始化為指定的值，如果后面的填充值省略不寫則在后面填充為0;

.rept 重復執行接下來的指令，以.rept開始，以.endr結束

【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字節以內的浮點數 
   a:  space 8, 0x1

.rept

 .rept cnt   ;cnt是重復次數
 .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。

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，當宏操作被展開時，這些參數被相應的值替換。

「注意」：先定義后使用

舉例：

「【例1】：沒有參數的宏實現子函數返回」

 .macro MOV_PC_LR
    MOV PC,LR
 .endm

調用方式如下：         MOV_PC_LR

「【例2】：帶參數宏實現子函數返回」

 .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, 0x40mov 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

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：當地址值是字節對齊 (8位) 時，取值范圍為-255～255，當地址值是字對齊 (32位) 時，取值范圍為-1020～1020。語法格式:

   ADR{cond}   register,label            ADR    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：當地址值是字節對齊時，取值范圍為-64～64KB；當地址值是字對齊時，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r2val: .word 0x11223344

（2）如何利用ldr偽指令實現長跳轉

  ldr  pc，=32位地址

（3）編碼中解決非立即數的問題

用arm偽指令ldr

ldr r0,=0x999 ；0x999 不是立即數，

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，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);//調用匯編實現的mystrcopy函數
 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：

定義環境變量TARGET=start，start為匯編文件的文件名
定義環境變量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
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目標的執行語句，刪除編譯產生的臨時文件

【補充】

gcc的代碼優化級別，在 makefile 文件中的編譯命令 4級 O0 -- O3 數字越大，優化程度越高。O3最大優化
volatile作用 volatile修飾的變量，編譯器不再進行優化，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。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板測試，因為本例沒有直觀現象，后續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工具鏈實現的。
地址0x40008000也不是隨便選擇的，

exynos4412 地址分布

讀者可以根據自己手里的開發板對應的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，后續我們討論linux內核，再繼續分析該文件。

3. elf文件和bin文件區別：

1） ELF

ELF文件格式是一個開放標準，各種UNIX系統的可執行文件都采用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文件內部數據按照代碼段或者數據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，執行elf文件，則內核會使用加載器來解析elf文件并執行。

在Embedded中，如果上電開始運行，沒有OS系統，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，只將代碼段數據段保留下來，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，數據段，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文件中代碼段數據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。

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7. 從0學ARM-GNU編程、lds文件詳解

二、GNU匯編書寫格式：

1. 代碼行中的注釋符號:

2. 全局標號：

3. 局部標號:

三、偽操作：

1. 符號定義偽指令

2. 數據定義（Data Definition）偽操作

3. if選擇

4. macro宏定義

四、雜項偽操作

五、GNU偽指令

六、GNU匯編的編譯

1. 不含lds文件的編譯

2. 依賴lds文件編譯

linux內核的異常向量表

3. elf文件和bin文件區別：

1） ELF

2） bin