三分鐘了解ARM運(yùn)行C程序的內(nèi)部機(jī)制

第第頁三分鐘了解ARM運(yùn)行C程序的內(nèi)部機(jī)制一.代碼之前學(xué)習(xí)了ARM裸機(jī)的LED點(diǎn)亮C語言實(shí)現(xiàn)，了解了ARM程序中，main函數(shù)需要有一段匯編指令來自引導(dǎo)，匯編指令的作用是：設(shè)置棧地址，也就是指明程序的存儲(chǔ)地址；引導(dǎo)main函數(shù)。

這里借這個(gè)程序分析一下ARM中，C程序執(zhí)行的內(nèi)部機(jī)制以及程序在棧中的存儲(chǔ)位置。

下面是C程序的源代碼、引導(dǎo)的匯編指令，以及交叉編譯生產(chǎn)的反匯編文件：

C：

intmain(){unsignedint*pGPFCON=(unsignedint*)0x56000050;unsignedint*pGPFDAT=(unsignedint*)0x56000054;

/*配置GPF4為輸出引腳*/*pGPFCON=0x100;/*設(shè)置GPF4輸出0*/*pGPFDAT=0;

return0;}

匯編指令：

.text.global_start

_start:

/*設(shè)置內(nèi)存:sp棧*/ldrsp,=4096/*nand啟動(dòng)*///ldrsp,=0x40000000+4096/*nor啟動(dòng)*/

/*調(diào)用main*/blmain

halt:bhalt

反匯編文件(Disassembler)：

Disassemblyofsection.text:

/*地址*//*機(jī)器碼*//*匯編指令*/00000000:0:e3a0da01movsp,#4096;0x10004:eb000000blc

00000008:8:eafffffeb8

0000000c:c:e1a0c00dmovip,sp10:e92dd800stmdbsp!,{fp,ip,lr,pc}14:e24cb004subfp,ip,#4;0x418:e24dd008subsp,sp,#8;0x81c:e3a03456movr3,#1442840576;0x5600000020:e2833050addr3,r3,#80;0x5024:e50b3010strr3,[fp,#-16]28:e3a03456movr3,#1442840576;0x560000002c:e2833054addr3,r3,#84;0x5430:e50b3014strr3,[fp,#-20]34:e51b2023ldrr2,[fp,#-16]38:e3a03c01movr3,#256;0x1003c:e5823000strr3,[r2]40:e51b2023ldrr2,[fp,#-20]44:e3a03000movr3,#0;0x048:e5823000strr3,[r2]4c:e3a03000movr3,#0;0x050:e1a00003movr0,r354:e24bd00csubsp,fp,#12;0xc58:e89da800ldmiasp,{fp,sp,pc}Dment:

/*解釋*/00000000:0:43434700cmpmir3,#0;0x04:4728203aundefined8:2029554eeorcsr5,r9,lr,asr#10c:2e342e33mrccs14,1,r2,cr4,cr3,{1}10:Address0x10isoutofbounds.

二.知識(shí)儲(chǔ)備1.ARM匯編指令對(duì)ARM匯編的指令詳細(xì)介紹見另一篇博客：

鏈接

先對(duì)匯編指令做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹：

這要從CPU說起，計(jì)算機(jī)的可識(shí)別語言是機(jī)器碼，也就是二進(jìn)制數(shù)，CPU可以識(shí)別執(zhí)行人們用機(jī)器碼編寫的程序。這種開發(fā)方式太過于復(fù)雜而且不易掌握，所以就有了匯編指令，匯編指令實(shí)際上是對(duì)機(jī)器碼的一個(gè)封裝，匯編指令可以經(jīng)過編譯轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼，只不過相比于機(jī)器碼，匯編指令可以直接供人們進(jìn)行閱讀理解。ARM中的一條匯編指令可以轉(zhuǎn)換為32位的機(jī)器碼，ARM的CPU一次執(zhí)行的機(jī)器碼就是32位，就是ARM可以一次處理一條匯編指令。

CPU在控制器的控制下，可以對(duì)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫到CPU內(nèi)部的寄存器中（就是r0、r1、sp、pc、lr…這些寄存器），然后由運(yùn)算器對(duì)寄存器中的值進(jìn)行運(yùn)算，包括加減乘除和邏輯運(yùn)算，得到的結(jié)果可以再寫入指定的寄存器中。CPU還可以根據(jù)指令進(jìn)行跳轉(zhuǎn)執(zhí)行，就是跳轉(zhuǎn)到某一指定的內(nèi)存地址來取指令執(zhí)行。計(jì)算機(jī)的運(yùn)行就是靠著CPU這樣高速重復(fù)的簡(jiǎn)單操作來支撐的。

所以匯編指令的作用流程大體如下：程序員編寫匯編指令，經(jīng)過編譯生成機(jī)器碼，機(jī)器碼存放在內(nèi)存中，CPU讀寫內(nèi)存，CPU執(zhí)行機(jī)器碼（匯編指令）。

如圖示CPU的寄存器：2.寄存器知識(shí)子程序之間通過r0~r3寄存器來傳遞參數(shù)lr原來保存子程序的返回地址，當(dāng)lr的值存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)棧中時(shí)，lr可以有其他用途sp作為數(shù)據(jù)棧指針，在進(jìn)入、退出子程序是要相同，sp總是指向棧頂pc作為程序計(jì)數(shù)器，不能用于其他用途ip是子程序內(nèi)部調(diào)用的scratch寄存器

三.代碼解析引導(dǎo)代碼的匯編指令，有倆個(gè)作用：設(shè)置棧、引導(dǎo)函數(shù)

設(shè)置棧就是利用sp（StackPointer）棧指針，也就是棧頂指針，sp始終指向棧的頂部，程序運(yùn)行的內(nèi)存空間就在劃分的棧空間內(nèi)。

引導(dǎo)函數(shù)，就是引導(dǎo)ARM轉(zhuǎn)到存儲(chǔ)C語言編寫的函數(shù)的內(nèi)存空間去，去執(zhí)行C語言編寫的函數(shù)（內(nèi)存中是機(jī)器碼形式），引導(dǎo)采用跳轉(zhuǎn)命令bl，可以使ARM跳轉(zhuǎn)到指定的內(nèi)存地址，并且將下一條指令的地址拷貝到lr寄存器，以便調(diào)用函數(shù)后，返回調(diào)用處可以接著執(zhí)行下一條指令?？梢允褂茫簃ovpc,lr指令來回到調(diào)用之前的下一條指令，繼續(xù)執(zhí)行

1.指令分析下面具體分析每一條匯編指令：

第一條指令：movip,sp

是保存當(dāng)前的棧頂指針sp到ip中。

第二條指令：stmdbsp!,{fp,ip,lr,pc}

首先，sp從4096的棧頂位置下移4Byte（db：先移位，后存儲(chǔ)），然后將當(dāng)前的pc寄存器的值存儲(chǔ)在4092的內(nèi)存地址，注意當(dāng)前指令的地址為0X10，所以當(dāng)前pc的值為：0X18（ARM流水線執(zhí)行指令）；

然后，sp從4092的內(nèi)存地址再下移4Byte，將lr寄存器的值存儲(chǔ)在4088的內(nèi)存地址，lr寄存器中存放著匯編指令調(diào)用main函數(shù)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)，也就是內(nèi)存地址8的指令。

然后，sp從4088的內(nèi)存地址再下移4Byte，將ip寄存器的值存儲(chǔ)在4084的內(nèi)存地址，ip寄存器中存放著原始的棧頂指針地址，也就是4096.

然后，sp從4084的內(nèi)存地址再下移4Byte，將fp寄存器的值存放在4080的內(nèi)存地址

最后，sp指向的內(nèi)存地址就是最后依次修改的地址，也就是4080。

此時(shí)的棧情況如圖：第三條指令：subfp,ip,#4

將ip-4Byte的結(jié)果放入fp中，也就是4096-4=4092的內(nèi)存地址（ip存放原始的棧頂指針指向4096），fp指向4092的內(nèi)存地址。

第四條指令：subsp,sp,#8

這里將sp指向的內(nèi)存地址下降8Byte，即在存儲(chǔ)那四個(gè)寄存器信息的內(nèi)存地址后面，騰出8Byte空間，恰好是倆條指令的空間，為后面存儲(chǔ)倆個(gè)局部變量留空間。

第五、六條指令：movr3,#1442840576;0x56000000addr3,r3,#80;0x50strr3,[fp,#-16]

將0X56000050存入r3寄存器。

第七條指令：strr3,[fp,#-16]

將r3的內(nèi)容，也就是局部變量0X56000050寫入fp-16Byte的地址，fp-16Byte的內(nèi)存地址正好是緊接著前四個(gè)寄存器的內(nèi)存地址，可以看出調(diào)用函數(shù)的局部變量是存儲(chǔ)在這四個(gè)基本信息寄存器后的。

第八、九、十條指令：movr3,#1442840576;0x56000000addr3,r3,#84;0x54strr3,[fp,#-20]

這三條指令與上面三條指令的意義一樣，都是講局部變量存儲(chǔ)在內(nèi)存中，將0X56000054緊挨著存儲(chǔ)在0X56000050下面。注意，此時(shí)局部變量下緊接著就是sp棧頂指針。

此時(shí)棧情況如圖：第十一條指令：ldrr2,[fp,#-16]

將0X56000050讀取到r2寄存器中。

第十二條指令：movr3,#256;0X100

將0X100寫入到r3寄存器中。

第十三條指令：strr3,[r2]

將0X100寫到地址為0X56000050內(nèi)存空間中，也就是寫到GPFCON寄存器中，配置GPF4引腳的模式為輸出。

第十四、十五、十六條指令：ldrr2,[fp,#-20]movr3,#0;0x0strr3,[r2]

與上面一樣，就是將0寫入GPFDAT寄存器中，點(diǎn)亮GPF4對(duì)應(yīng)的LED，GPF4引腳輸出低電平。

第十七、十八條指令：movr3,#0;0x0movr0,r3

將r0寄存器清零，相當(dāng)于main函數(shù)中的return0，r0、r1、r2、r3寄存器就是在子程序之間傳遞參數(shù)的。

第十九條指令：subsp,fp,#12

將sp重新指向fp-12Byte的地址，也就是4080.

第二十條指令：ldmiasp,{fp,sp,pc}

從棧中恢復(fù)寄存器

首先，sp從當(dāng)前地址4080，也就是剛開始保存fp的地址，讀取4Byte，寫入fp。

然后，sp從4080的內(nèi)存地址上移4Byte，就是4084，讀取4Byte，寫入sp，就是將之前的ip值（4096）寫入sp

然后，sp從4084的內(nèi)存地址上移4Byte，就是4092，讀取4Byte，寫入pc，就是將之前的lr值（匯編引導(dǎo)main是的地址）寫入pc，就是8，程序跳回0X8的地址，也就是main返回

2.總體分析可見，4K的空間包含了：寄存器初始值、局部變量、代碼段，程序的運(yùn)行在這4K內(nèi)存中已經(jīng)足夠了。

做一下小總結(jié)：

棧后面會(huì)保存代碼段

棧的開頭保存原來寄存器：pc、lr、ip、fp，保證調(diào)用完函數(shù)可以返回到原來的位置

sp的值在進(jìn)入、退出子程