@oro-oro 2015-08-18T10:45:05.000000Z 字数 5142 阅读 2007

四、HelloWorld

AndroidARM

hello.s 就是汇编代码，下面来分析一下这个东西。

    .arch armv5te
    .fpu softvfp
    .eabi_attribute 20, 1
    .eabi_attribute 21, 1
    .eabi_attribute 23, 3
    .eabi_attribute 24, 1
    .eabi_attribute 25, 1
    .eabi_attribute 26, 2
    .eabi_attribute 30, 6
    .eabi_attribute 34, 0
    .eabi_attribute 18, 4
    .file   "hello.c"
    .section    .rodata     
    .align  2
.LC0:
    .ascii  "Hello ARM World\000"
    .text
    .align  2
    .global main
    .type   main, %function        
main:
    @ args = 0, pretend = 0, frame = 8
    @ frame_needed = 1, uses_anonymous_args = 0
    stmfd   sp!, {fp, lr}
    add fp, sp, #4
    sub sp, sp, #8
    str r0, [fp, #-8]
    str r1, [fp, #-12]
    ldr r3, .L3
.LPIC0:
    add r3, pc, r3
    mov r0, r3
    bl  puts(PLT)
    mov r3, #0
    mov r0, r3
    sub sp, fp, #4
    @ sp needed
    ldmfd   sp!, {fp, pc}
.L4:
    .align  2
.L3:
    .word   .LC0-(.LPIC0+8)
    .size   main, .-main
    .ident  "GCC: (GNU) 4.9 20140827 (prerelease)"
    .section    .note.GNU-stack,"",%progbits

0. 汇编语言程序的结构（待补充）

开头声明
数据初始化
函数（入栈、操作、出栈）
被初始化的数据的地址（文字池）

注意：2和3联系比较大，但为了让3处在不会被执行的地方，所以将3放在4之后。
全局变量都被放在数据段上，数据段中保存的其实是变量的初始值

未用static声明的变量会被声明为.global。
加载全局变量实际上使用的是文字池的方法，即将变量地址放在代码段中某个不会执行到的位置，使用时先加载变量的地址，然后通过变量的地址得到变量的值。
每条汇编指令只能执行一个简单的运算，计算的中间结果使用寄存器保存。如果表达式非常复杂以至于无法用寄存器保存所有的中间结果，则还会在栈上开辟局部变量来保存。【非静态的局部变量都放在栈上，通过帧指针和偏移量的方式来访问。帧指针（fp）在开始时设好，整个函数执行期间不会该变（而期间sp会改变）。】

1. 硬件声明

    .arch armv5te
    .fpu softvfp
    .eabi_attribute 20, 1
    .eabi_attribute 21, 1
    .eabi_attribute 23, 3
    .eabi_attribute 24, 1
    .eabi_attribute 25, 1
    .eabi_attribute 26, 2
    .eabi_attribute 30, 6
    .eabi_attribute 34, 0
    .eabi_attribute 18, 4
    .file   "hello.c"   @源文件

1-11 行，指定了程序使用的处理器架构、协处理器类型、接口。

.arch 处理器架构（architecture）
armv5te 表示本程序可以在 armv5te 架构的处理器上运行。
此外还可以是armv6等，不同处理器架构支持的指令集不同，如果代码使用了指定处理器架构不支持的指令，代码会在编译时会报错。
.fpu 协处理器类型（Floating Point Unit）
softvfp 表示使用浮点运算库来模拟协处理器运算。之所以会出现这个选项，是因为为了节省处理器的生产成本，出厂的 ARM 处理器中不带协处理器单元，所有的浮点运算只能通过软模拟的形式来完成，在对硬件条件没有要求的情况下，可以使用这个保守选项。
此外，可以复制vfpv2、vfpv3 来指定使用处理器自带的协处理器。
.eabi_attribute 接口属性
EABI（Embedded Application Binary Interface），嵌入式二进制接口，是 ARM 指定的一套接口标准。
Android 系统实现了它，此处的值在编译多数程序时，都是固定的。
详细可参考文档 Addenda to, and Errata in, the ABI for the ARM®Architecture §2.3 Core registers:

2. 声明常量

    .section    .rodata @声明只读数据段（Read Only DATA section）
    .align  2           @对齐方式为 2^2=4 字节（GAS 是以2^n 的方式对齐的）
.LC0:
    .ascii  "hello android arm!\000"    @声明字符串

这里声明了一个常量字符串"hello android arm!\n"
它在只读数据段里，并且以2个字节的方式对齐。

3. 声明函数

    .text   @声明代码段(Code Section)
    .align  2
    .global main    @全局变量
    .type   main, %function @类型为函数
main:

上面的代码声明了一个main函数。
程序代码总是会放在代码段（.text），声明main全局变量，类型为函数。
最后 21 行，则是main的标签。

下面看看main函数的内容

main:
    @ args = 0, pretend = 0, frame = 8
    @ frame_needed = 1, uses_anonymous_args = 0
    stmfd   sp!, {fp, lr}   @fp, lr 压栈
    add fp, sp, #4  @初始化fp fp=sp+4
    sub sp, sp, #8  @开辟栈空间 sp=sp-8
    str r0, [fp, #-8]   @保存第一个参数 argc 
    str r1, [fp, #-12]  @保存第二个参数 argv  
    ldr r3, .L3

    stmfd   sp!, {fp, lr}

这是一个多寄存器移动操作。将FP、LR移到寄存器SP定义的区域。因为SP是栈指针，相当于将FP、LR一次性压到该栈。一旦这些操作完成后，SP会更新，因为它有一个感叹号!标志。这时，栈指针指向了栈顶。
实际上这里执行了2次 sp = sp - 4。

ARM堆栈结构是从高向低压栈的，所以，是先压lr，再压fp。

一般操作数据的数据的格式：OPERATION ARG1, ARG2, ARG3。
相当于执行 ARG1 = ARG2 OPERATION ARG3。
例如操作算术指令有ADD、SUB和逻辑指令AND、OR。

    add fp, sp, #4  @初始化fp

上面相当于执行了 fp = sp + 4。
FP指向LR，main函数帧（栈帧）的开始的位置。

    sub sp, sp, #8  @开辟栈空间 sp=sp-8

向下开辟栈空间，因为main函数有2个参数，所以，4*2=8。

    str r0, [fp, #-8]   @保存第一个参数 argc *(fp - 8) = r0
    str r1, [fp, #-12]  @保存第二个参数 argv *(fp - 12) = r0

将r0的值保存到(fp-8)指向的内存位置。
因为内存用字节寻址，寄存器都是4字节，内存偏移常常是4的倍数。

最终，内存结构如下：

内存情况

.LC0:
    .ascii  "Hello ARM World\000"
    ...     
main:
    ...
    ldr r3, .L3 /* r3=.LC0-(.LPIC0+8) */
.LPIC0:
    add r3, pc, r3
    mov r0, r3  
    ...
.L4:
    ...
.L3:
    .word   .LC0-(.LPIC0+8) /* 字符串的相对偏移地址 */
    ...

接下来要打印 hello world，这个需要从.LC0标签去获取.ascii "Hello ARM World\000"。

L3是个常量，存放着字符串.LC0相对于.LPIC0的偏移值，下面是将这个值赋给 r3。

    ldr r3, .L3 /* r3=.LC0-(.LPIC0+8) */

当程序运行到add r3, pc, r3，当前的位置是.LPIC0，而PC的值为PC=PC+8=.LPIC0+8。

r3 = pc + r3
   = .LPIC0+8 + (.LC0-(.LPIC0+8))
   = .LC0

也就是说：

    ldr r3, .L3 /* r3=.LC0-(.LPIC0+8) */
.LPIC0:
    add r3, pc, r3
    mov r0, r3

相当于

    mov r0,=.LC0    /* 初始化了给 printf 函数的第一个参数 */

简而言之，就是ARM没办法直接取.LC0的地址，只能通过相对取址的方式来取。

至于这里为什么是.LC0-(.LPIC0+8)，这个跟ARM的流水线有关（参考上一章 3.3 PC与相对取址）。

4. 函数

最基本的函数正如下面这种结构：

    .text
    .align  2
    .global functionName
    .type   functionName, %function
 functionName:
    mov ip, sp
    stmfd   sp!, {fp, ip, lr, pc}
    sub fp, ip, #4  @ Space for local variables
    sub sp, sp, #8
    sub sp, fp, #12
    ldmfd   sp, {fp, sp, lr}
    bx  lr

子程序（Subroutines）需要保存除r0-r3以外的任何寄存器。所以，如果你需要使用其他寄存器，譬如r4，在重写它们之前，必须要保存它们在栈中。
更加详细的函数调用约定，可以参考 ARM procedure call standard。

为了调用一个函数，要使用BL指令来分支（Branch）和链接（Link）。
return 的返回地址会保存在LR寄存器中。
如果要从一个函数返回，你需要调用一个分支（branch）在LR寄存器里。

函数的开头和函数的结尾，一般都是对应的入栈和出栈操作。

    stmfd   sp!, {fp, lr}
    add fp, sp, #4  /* fp=sp+4 */
    sub sp, sp, #8
    ...
    sub sp, fp, #4  /* 重设栈指针，sp=fp-4 */
    ldmfd   sp!, {fp, pc} /* 返回 */

ldmfd sp!, {fp, pc}
以sp为起始地址，将之后的2个字节的内容（上一个针栈的值恢复），分别存入fp和pc中。
执行了2次 sp + 4，sp指向栈顶。

可以回想一下，上面main函数调用func1那张图的内存布局。
stmfd sp!, {fp, ip, lr, pc}
ldmfd sp, {fp, sp, lr}
func1 重置sp指针后，sp 会指向pc。
之后， sp+4，执行3次，还原fp, sp, lr的值。

5. 打印 hello

    bl  puts(PLT)
    mov r3, #0
    mov r0, r3

这里主要是调用了puts函数打印字符串
参数r0保存了Hello ARM World\000的地址。
bl则是调用puts函数打印字符串。

返回值0保存在r0中。
r3=0
r0=0
main 函数会将其返回。

再对比一下IDA反汇编的代码，发现2者差不多，R11就是FP。

.text:00008258 ; =============== S U B R O U T I N E =======================================
.text:00008258
.text:00008258 ; Attributes: bp-based frame
.text:00008258
.text:00008258                 EXPORT main
.text:00008258 main                                    ; DATA XREF: _start+50↓o
.text:00008258                                         ; .got:main_ptr↓o
.text:00008258
.text:00008258 var_C           = -0xC
.text:00008258 var_8           = -8
.text:00008258
.text:00008258                 STMFD   SP!, {R11,LR}                 
.text:0000825C                 ADD     R11, SP, #4
.text:00008260                 SUB     SP, SP, #8
.text:00008264                 STR     R0, [R11,#var_8]
.text:00008268                 STR     R1, [R11,#var_C]
.text:0000826C                 LDR     R3, =(aHelloArmWorld - 0x8278)
.text:00008270                 ADD     R3, PC, R3      ; "Hello ARM World"
.text:00008274                 MOV     R0, R3          ; s
.text:00008278                 BL      puts
.text:0000827C                 MOV     R3, #0
.text:00008280                 MOV     R0, R3
.text:00008284                 SUB     SP, R11, #4
.text:00008288                 LDMFD   SP!, {R11,PC}
.text:00008288 ; End of function main
.text:00008288

这里有个细节，程序是怎么找到puts的执行代码？
这个就需要去了解ELF的文件格式、Linux加载ELF的过程等等。
可参考《程序员的自我修养》第200页延迟绑定（PLT）。