GNU-ARM匯編

第一部分 Linux下ARM匯編語法盡管在Linux下使用C或C++編寫程序很方便，但匯編源程序用于系統(tǒng)最基本的初始化，如初始化堆棧指針、設(shè)置頁表、操作 ARM的協(xié)處理器等。初始化完成后就可以跳轉(zhuǎn)到C代碼執(zhí)行。需要注意的是，GNU的匯編器遵循AT&T的匯編語法，可以從GNU的站點(diǎn)（www.gnu.org）上下載有關(guān)規(guī)范。
一. Linux匯編行結(jié)構(gòu)
任何匯編行都是如下結(jié)構(gòu)：
[:] [} @ comment
[:] [} @ 注釋
Linux ARM 匯編中，任何以冒號結(jié)尾的標(biāo)識符都被認(rèn)為是一個(gè)標(biāo)號，而不一定非要在一行的開始。
【例1】定義一個(gè)"add"的函數(shù)，返回兩個(gè)參數(shù)的和。
.section .text, “x”
.global add @ give the symbol add external linkage
add:
ADD r0, r0, r1 @ add input arguments
MOV pc, lr @ return from subroutine
@ end of program
二. Linux 匯編程序中的標(biāo)號
標(biāo)號只能由a～z，A～Z，0～9，“.”，_等字符組成。當(dāng)標(biāo)號為0～9的數(shù)字時(shí)為局部標(biāo)號，局部標(biāo)號可以重復(fù)出現(xiàn),使用方法如下：
標(biāo)號f: 在引用的地方向前的標(biāo)號
標(biāo)號b: 在引用的地方向后的標(biāo)號
【例2】使用局部符號的例子，一段循環(huán)程序
1:
??subs r0,r0,#1 @每次循環(huán)使r0=r0-1
??bne 1f @跳轉(zhuǎn)到1標(biāo)號去執(zhí)行
局部標(biāo)號代表它所在的地址,因此也可以當(dāng)作變量或者函數(shù)來使用。
三. Linux匯編程序中的分段
（1）.section偽操作
用戶可以通過.section偽操作來自定義一個(gè)段,格式如下:
.section section_name [, "flags"[, %type[,flag_specific_arguments]]]
每一個(gè)段以段名為開始, 以下一個(gè)段名或者文件結(jié)尾為結(jié)束。這些段都有缺省的標(biāo)志（flags）,連接器可以識別這些標(biāo)志。(與armasm中的AREA相同)。
下面是ELF格式允許的段標(biāo)志
含義
a 允許段
w 可寫段
x 執(zhí)行段
【例3】定義段
.section .mysection @自定義數(shù)據(jù)段，段名為 “.mysection”
.align 2
strtemp:
.ascii "Temp string \n\0"
（2）匯編系統(tǒng)預(yù)定義的段名
.text @代碼段
.data @初始化數(shù)據(jù)段
.bss @未初始化數(shù)據(jù)段
.sdata @
.sbss @
需要注意的是，源程序中.bss段應(yīng)該在.text之前。
四. 定義入口點(diǎn)
匯編程序的缺省入口是 start標(biāo)號，用戶也可以在連接腳本文件中用ENTRY標(biāo)志指明其它入口點(diǎn)。
【例4】定義入口點(diǎn)
.section.data
.section .bss
.section .text
.globl _start
_start:
五. Linux匯編程序中的宏定義
格式如下:
.macro 宏名 參數(shù)名列表 @偽指令.macro定義一個(gè)宏
??宏體
.endm @.endm表示宏結(jié)束
如果宏使用參數(shù),那么在宏體中使用該參數(shù)時(shí)添加前綴“\”。宏定義時(shí)的參數(shù)還可以使用默認(rèn)值。
可以使用.exitm偽指令來退出宏。
【例5】宏定義
.macro SHIFTLEFT a, b
.if \b ”表示不相等,其他的符號如:+、-、*、 /、%、、>>、|、&、^、!、==、>=、函數(shù)的定義 ；
對齊方式偽操作 .align；
源文件結(jié)束偽操作.end；
.include偽操作；
if偽操作；
.global/ .globl 偽操作 ；
.type偽操作 ；
列表控制語句 ；
區(qū)別于gas匯編的通用偽操作,下面是ARM特有的偽操作 ：.reg ，.unreq ，.code ，.thumb ，.thumb_func ，.thumb_set， .ltorg ，.pool
1. 數(shù)據(jù)定義偽操作
（1） .byte:單字節(jié)定義，如：.byte 1,2,0b01,0x34,072,'s' ；
（2） .short:定義雙字節(jié)數(shù)據(jù)，如:.short 0x1234,60000 ；
（3） .long:定義4字節(jié)數(shù)據(jù)，如:.long 0x12345678,23876565
（4） .quad:定義8字節(jié)，如:.quad 0x1234567890abcd
（5） .float：定義浮點(diǎn)數(shù)，如:
??.float 0f-314159265358979323846264338327\
??95028841971.693993751E-40 @ - pi
（6） .string/.asciz/.ascii：定義多個(gè)字符串，如:
??.string "abcd", "efgh", "hello!"
??.asciz "qwer", "sun", "world!"
??.ascii "welcome\0"
需要注意的是：.ascii偽操作定義的字符串需要自行添加結(jié)尾字符'\0'。
（7） .rept:重復(fù)定義偽操作, 格式如下:
??.rept 重復(fù)次數(shù)
??數(shù)據(jù)定義
??.endr @結(jié)束重復(fù)定義
??例如:
??.rept 3
??.byte 0x23
??.endr
（8） .equ/.set: 賦值語句, 格式如下:
??.equ(.set) 變量名,表達(dá)式
??例如:
??.equ abc 3 @讓abc=3
2.函數(shù)的定義偽操作
（1）函數(shù)的定義,格式如下:
??函數(shù)名:
??函數(shù)體
??返回語句
一般的,函數(shù)如果需要在其他文件中調(diào)用, 需要用到.global偽操作將函數(shù)聲明為全局函數(shù)。為了不至于在其他程序在調(diào)用某個(gè)C函數(shù)時(shí)發(fā)生混亂,對寄存器的使用我們需要遵循APCS準(zhǔn)則。函數(shù)編譯器將處理為函數(shù)代碼為一段.global的匯編碼。
（2）函數(shù)的編寫應(yīng)當(dāng)遵循如下規(guī)則:
 a1-a4寄存器（參數(shù)、結(jié)果或暫存寄存器，r0到r3 的同義字）以及浮點(diǎn)寄存器f0-f3(如果存在浮點(diǎn)協(xié)處理器)在函數(shù)中是不必保存的；
 如果函數(shù)返回一個(gè)不大于一個(gè)字大小的值，則在函數(shù)結(jié)束時(shí)應(yīng)該把這個(gè)值送到 r0 中；
 如果函數(shù)返回一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，則在函數(shù)結(jié)束時(shí)把它放入浮點(diǎn)寄存器f0中；
如果函數(shù)的過程改動(dòng)了sp（堆棧指針，r13）、fp（框架指針，r11）、sl（堆棧限制，r10）、lr（連接寄存器，r14）、v1-v8（變量寄存器，r4 到 r11）和 f4-f7,那么函數(shù)結(jié)束時(shí)這些寄存器應(yīng)當(dāng)被恢復(fù)為包含在進(jìn)入函數(shù)時(shí)它所持有的值。
3. .align .end .include .incbin偽操作
（1）.align:用來指定數(shù)據(jù)的對齊方式,格式如下:
??.align [absexpr1, absexpr2]
??以某種對齊方式,在未使用的存儲區(qū)域填充值. 第一個(gè)值表示對齊方式,4, 8,16或 32. 第二個(gè)表達(dá)式值表示填充的值。
（2）.end:表明源文件的結(jié)束。
（3）.include:可以將指定的文件在使用.include 的地方展開,一般是頭文件,例如:
??.include “myarmasm.h”
（4）.incbin偽操作可以將原封不動(dòng)的一個(gè)二進(jìn)制文件編譯到當(dāng)前文件中,使用方法如下:
??.incbin "file"[,skip[,count]]
??skip表明是從文件開始跳過skip個(gè)字節(jié)開始讀取文件,count是讀取的字?jǐn)?shù).
4. .if偽操作
根據(jù)一個(gè)表達(dá)式的值來決定是否要編譯下面的代碼, 用.endif偽操作來表示條件判斷的結(jié)束, 中間可以使用.else來決定.if的條件不滿足的情況下應(yīng)該編譯哪一部分代碼。
.if有多個(gè)變種:
.ifdef symbol @判斷symbol是否定義
.ifc string1,string2 @字符串string1和string2是否相等,字符串可以用單引號括起來
.ifeq expression_r @判斷expression_r的值是否為0
.ifeqs string1,string2 @判斷string1和string2是否相等,字符 串必須用雙引號括起來
.ifge expression_r @判斷expression_r的值是否大于等于0
.ifgt absolute expression_r @判斷expression_r的值是否大于0
.ifle expression_r @判斷expression_r的值是否小于等于0
.iflt absolute expression_r @判斷expression_r的值是否小于0
.ifnc string1,string2 @判斷string1和string2是否不相等, 其用法跟.ifc恰好相反。
.ifndef symbol, .ifnotdef symbol @判斷是否沒有定義symbol, 跟.ifdef恰好相反
.ifne expression_r @如果expression_r的值不是0, 那么編譯器將編譯下面的代碼
.ifnes string1,string2 @如果字符串string1和string2不相 等, 那么編譯器將編譯下面的代碼.
5. .global .type .title .list
（1）.global/ .globl ：用來定義一個(gè)全局的符號，格式如下:
??.global symbol 或者 .globl symbol
（2）.type：用來指定一個(gè)符號的類型是函數(shù)類型或者是對象類型, 對象類型一般是數(shù)據(jù), 格式如下:
??.type 符號, 類型描述
【例6】
.globl a
.data
.align 4
.type a, @object
.size a, 4
a:
.long 10
【例7】
.section .text
.type asmfunc, @function
.globl asmfunc
asmfunc:
mov pc, lr
（3）列表控制語句:
.title：用來指定匯編列表的標(biāo)題,例如:
??.title “my program”
.list：用來輸出列表文件.
6. ARM特有的偽操作
（1） .reg: 用來給寄存器賦予別名,格式如下:
??別名 .req 寄存器名
（2） .unreq: 用來取消一個(gè)寄存器的別名,格式如下:
　　　　　　　.unreq 寄存器別名
　　注意被取消的別名必須事先定義過,否則編譯器就會(huì)報(bào)錯(cuò),這個(gè)偽操作也可以用來取消系統(tǒng)預(yù)制的別名, 例如r0, 但如果沒有必要的話不推薦那樣做。
（3） .code偽操作用來選擇ARM或者Thumb指令集,格式如下:
　　　　　　　　　　　.code 表達(dá)式
　　如果表達(dá)式的值為16則表明下面的指令為Thumb指令,如果表達(dá)式的值為32則表明下面的指令為ARM指令.
（4） .thumb偽操作等同于.code 16, 表明使用Thumb指令, 類似的.arm等同于.code 32
（5） .force_thumb偽操作用來強(qiáng)制目標(biāo)處理器選擇thumb的指令集而不管處理器是否支持
（6） .thumb_func偽操作用來指明一個(gè)函數(shù)是thumb指令集的函數(shù)
（7） .thumb_set偽操作的作用類似于.set, 可以用來給一個(gè)標(biāo)志起一個(gè)別名, 比.set功能增加的一點(diǎn)是可以把一個(gè)標(biāo)志標(biāo)記為thumb函數(shù)的入口, 這點(diǎn)功能等同于.thumb_func
（8） .ltorg用于聲明一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖池(literal pool)的開始,它可以分配很大的空間。
（9） .pool的作用等同.ltorg
（9）.space??{,}
分配number_of_bytes字節(jié)的數(shù)據(jù)空間，并填充其值為fill_byte，若未指定該值，缺省填充0。（與armasm中的SPACE功能相同）
（10）.word??{,} …
插入一個(gè)32-bit的數(shù)據(jù)隊(duì)列。（與armasm中的DCD功能相同）
可以使用.word把標(biāo)識符作為常量使用
例如：
??Start:
??valueOfStart:
??.word Start
這樣程序的開頭Start便被存入了內(nèi)存變量valueOfStart中。
（11）.hword??{,} …
插入一個(gè)16-bit的數(shù)據(jù)隊(duì)列。（與armasm中的DCW相同）
八. GNU ARM匯編特殊字符和語法
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 ‘$’
第二部分 GNU的編譯器和調(diào)試工具
一. 編譯工具
1．編輯工具介紹
GNU 提供的編譯工具包括匯編器as、C編譯器gcc、C++編譯器g++、連接器ld和二進(jìn)制轉(zhuǎn)換工具objcopy。基于ARM平臺的工具分別為arm- linux-as、arm-linux-gcc、arm-linux-g++、arm-linux-ld和arm-linux- objcopy。GNU的編譯器功能非常強(qiáng)大，共有上百個(gè)操作選項(xiàng)，這也是這類工具讓初學(xué)者頭痛的原因。不過，實(shí)際開發(fā)中只需要用到有限的幾個(gè)，大部分可以采用缺省選項(xiàng)。GNU工具的開發(fā)流程如下：編寫C、C++語言或匯編源程序，用gcc或g++生成目標(biāo)文件，編寫連接腳本文件，用連接器生成最終目標(biāo)文件（elf格式），用二進(jìn)制轉(zhuǎn)換工具生成可下載的二進(jìn)制代碼。
（1）編寫C、C++語言或匯編源程序
通常匯編源程序用于系統(tǒng)最基本的初始化，如初始化堆棧指針、設(shè)置頁表、操作ARM的協(xié)處理器等。初始化完成后就可以跳轉(zhuǎn)到C代碼執(zhí)行。需要注意的是，GNU的匯編器遵循AT&T的匯編語法，讀者可以從GNU的站點(diǎn)（www.gnu.org）上下載有關(guān)規(guī)范。匯編程序的缺省入口是 start標(biāo)號，用戶也可以在連接腳本文件中用ENTRY標(biāo)志指明其它入口點(diǎn)（見下文關(guān)于連接腳本的說明）。
（2）用gcc或g++生成目標(biāo)文件
如果應(yīng)用程序包括多個(gè)文件，就需要進(jìn)行分別編譯，最后用連接器連接起來。如筆者的引導(dǎo)程序包括3個(gè)文件：init.s（匯編代碼、初始化硬件）xmrecever.c（通信模塊，采用Xmode協(xié)議）和flash.c（Flash擦寫模塊）。
分別用如下命令生成目標(biāo)文件： arm-linux-gcc-c-O2-oinit.oinit.s arm-linux-gcc-c-O2-oxmrecever.oxmrecever.c arm-linux-gcc-c-O2-oflash.oflash.c 其中-c命令表示只生成目標(biāo)代碼，不進(jìn)行連接；-o命令指明目標(biāo)文件的名稱；-O2表示采用二級優(yōu)化，采用優(yōu)化后可使生成的代碼更短，運(yùn)行速度更快。如果項(xiàng)目包含很多文件，則需要編寫makefile文件。關(guān)于makefile的內(nèi)容，請感興趣的讀者參考相關(guān)資料。
（3）編寫連接腳本文件
gcc 等編譯器內(nèi)置有缺省的連接腳本。如果采用缺省腳本，則生成的目標(biāo)代碼需要操作系統(tǒng)才能加載運(yùn)行。為了能在嵌入式系統(tǒng)上直接運(yùn)行，需要編寫自己的連接腳本文件。編寫連接腳本，首先要對目標(biāo)文件的格式有一定了解。GNU編譯器生成的目標(biāo)文件缺省為elf格式。elf文件由若干段（section）組成，如不特殊指明，由C源程序生成的目標(biāo)代碼中包含如下段：.text（正文段）包含程序的指令代碼；.data(數(shù)據(jù)段)包含固定的數(shù)據(jù)，如常量、字符串；.bss（未初始化數(shù)據(jù)段）包含未初始化的變量、數(shù)組等。C++源程序生成的目標(biāo)代碼中還包括.fini（析構(gòu)函數(shù)代碼）和. init（構(gòu)造函數(shù)代碼）等。連接器的任務(wù)就是將多個(gè)目標(biāo)文件的.text、.data和.bss等段連接在一起，而連接腳本文件是告訴連接器從什么地址開始放置這些段。例如連接文件link.lds為：
ENTRY(begin)
SECTION
{
.=0x30000000;
.text:{*(.text)}
.data:{*(.data)}
.bss:{*(.bss)}
}
其中，ENTRY(begin)指明程序的入口點(diǎn)為begin標(biāo)號；.=0x00300000指明目標(biāo)代碼的起始地址為0x30000000，這一段地址為 MX1的片內(nèi)RAM；.text:{*(.text)}表示從0x30000000開始放置所有目標(biāo)文件的代碼段，隨后的.data:{* (.data)}表示數(shù)據(jù)段從代碼段的末尾開始，再后是.bss段。
（4）用連接器生成最終目標(biāo)文件
有了連接腳本文件，如下命令可生成最終的目標(biāo)文件：
arm-linux-ld –no stadlib –o bootstrap.elf -Tlink.lds init.o xmrecever.o flash.o
其中，ostadlib表示不連接系統(tǒng)的運(yùn)行庫，而是直接從begin入口；-o指明目標(biāo)文件的名稱；-T指明采用的連接腳本文件（也可以使用-Ttext address，address表示執(zhí)行區(qū)地址）；最后是需要連接的目標(biāo)文件列表。
（5）生成二進(jìn)制代碼
連接生成的elf文件還不能直接下載執(zhí)行，通過objcopy工具可生成最終的二進(jìn)制文件：
arm-linux-objcopy –O binary bootstrap.elf bootstrap.bin
其中-O binary指定生成為二進(jìn)制格式文件。Objcopy還可以生成S格式的文件，只需將參數(shù)換成-O srec。還可以使用-S選項(xiàng)，移除所有的符號信息及重定位信息。如果想將生成的目標(biāo)代碼反匯編，還可以用objdump工具：
arm-linux-objdump -D bootstrap.elf
至此，所生成的目標(biāo)文件就可以直接寫入Flash中運(yùn)行了。
2．Makefile實(shí)例
example: head.s main.c
arm-linux-gcc -c -o head.o head.s
arm-linux-gcc -c -o main.o main.c
arm-linux-ld -Tlink.lds head.o ain.o -o example.elf
arm-linux-objcopy -O binary -S example_tmp.o example
arm-linux-objdump -D -b binary -m arm example >ttt.s
二. 調(diào)試工具
Linux 下的GNU調(diào)試工具主要是gdb、gdbserver和kgdb。其中g(shù)db和gdbserver可完成對目標(biāo)板上Linux下應(yīng)用程序的遠(yuǎn)程調(diào)試。 gdbserver是一個(gè)很小的應(yīng)用程序，運(yùn)行于目標(biāo)板上，可監(jiān)控被調(diào)試進(jìn)程的運(yùn)行，并通過串口與上位機(jī)上的gdb通信。開發(fā)者可以通過上位機(jī)的gdb輸入命令，控制目標(biāo)板上進(jìn)程的運(yùn)行，查看內(nèi)存和寄存器的內(nèi)容。gdb5.1.1以后的版本加入了對ARM處理器的支持，在初始化時(shí)加入－ target==arm參數(shù)可直接生成基于ARM平臺的gdbserver。gdb工具可以從ftp: //ftp.gnu.org/pub/gnu/gdb/上下載。
對于Linux內(nèi)核的調(diào)試，可以采用kgdb工具，同樣需要通過串口與上位機(jī)上的gdb通信，對目標(biāo)板的Linux內(nèi)核進(jìn)行調(diào)試。可以從http://oss.sgi.com/projects/kgdb/上了解具體的使用方法。