作者ljcnaix

ARM汇编基础教程 ——数据类型和寄存器

发布于:2017-08-29 18:59:39 阅读:263 回帖:0



数据类型
这是ARM汇编基础教程的第二篇,包含了数据类型和寄存器的相关知识。

和高级语言一样,ARM汇编语言支持对不同数据类型的操作。我们可以load(或store)的数据类型包括signed/unsigned wordshalfwords或者bytes。我们用“-h”或“-sh”后缀表示half words,用“-b”或“-sb”表示bytes,无后缀默认表示words。有符号和无符号数据类型之间的区别有:

§  有符号数可以表示正直和负值,所以范围较小;

§  无符号数只能表示正值,所以范围更大。

下面是使用loadstore指令操作不同类型数据的示例:

ldr = Load Word
ldrh = Load unsigned Half Word
ldrsh = Load signed Half Word
ldrb = Load unsigned Byte
ldrsb = Load signed Bytes
  
str = Store Word
strh = Store unsigned Half Word
strsh = Store signed Half Word
strb = Store unsigned Byte
strsb = Store signed Byte


字节序

在内存中有两种存储多字节数据的方式,大端序和小端序。这两种方式的差异是数据存储时的字节顺序不同。在以小端序存储数据的设备中(如x86),位权低(个位的位权比十位低)的字节存储在低地址(地址值小的地址)。在以大端序存储数据的设备上,位权高的字节存储在低地址。上一篇我们提到过,ARM架构在ARMv3之前是小端序的,在那之后,ARM处理器可以通过硬件配置在大小端之间切换。以ARMv6为例,指令是固定的以小端序存储的,而内存数据的读取方式可以通过控制程序状态寄存器CPSR的第9位实现在大端和小端之间切换。

ARM寄存器

ARM处理器的寄存器个数与ARM指令集版本有关。根据ARM手册,除了基于ARMv6-MARMv7-M的处理器,其它的ARM处理器都有3032 bit的通用寄存器。前17个(原文是16个,我觉的可能是作者犯的off-by-one错误,如果理解有误,请高手指正)寄存器是在用户模式下可访问的,其它的寄存器只有在特定的运行模式下才可以访问(ARMv6-MARMv7-M除外,它们的架构有一些差异,有兴趣的话可以单独去学习)。在这篇教程中,我们将关注那些可以在任何运行模式下被访问的寄存器:r0~r15还有CPSR。这16个寄存器可以被分为两组:通用寄存器和专用寄存器。

寄存器

别名

作用

R0

-

通用

R1

-

通用

R2

-

通用

R3

-

通用

R4

-

通用

R5

-

通用

R6

-

通用

R7

-

常用于保存系统调用号

R8

-

通用

R9

-

通用

R10

-

通用

R11

FP

用于保存栈帧

专用寄存器

R12

IP

内部调用暂存寄存器

R13

SP

栈顶指针

R14

LR

用于保存函数返回地址

R15

PC

用于保存下一条指令的地址

CPSR

-

当前程序状态寄存器

下面这张表将ARM的寄存器和x86寄存器做了一个简单类比:

ARM

简述

X86

R0

通用寄存器

EAX

R1~R5

通用寄存器

EBXECXEDXESIEDI

R6~R10

通用寄存器

-

R11FP

栈帧寄存器

EBP

R12

内部调用暂存寄存器

-

R13SP

堆栈寄存器

ESP

R14LR

链接寄存器

-

R15PC

程序计数器

EIP

CPSR

当前程序状态寄存器

EFLAGS

R0~R12R12的使用要慎重):R0~R12是通用寄存器(R12已经不完全是了),它们可以在常规操作中使用,来存储临时变量或地址。习惯上,R0常在算数运算中作为累加器,或者存储函数的返回地址。R7常用于存储系统调用号。R11常作为栈帧指针来标记函数栈帧的边界。此外,ARM的函数调用约定规定,函数的前四个参数存储在寄存器r0~r3中。

R13R13是堆栈指针(SPStack Point)。它指向堆栈的顶部。堆栈是用来存储函数局部存储的一段内存,在函数返回时回收。堆栈指针通过减去我们要分配的空间大小,来分配堆栈上的空间。比如,我们要分配一个32 bit的空间,那么就令R134

R14R14是链接寄存器(LRLink Register)。当进行函数调用时,链接寄存器被更新为调用函数指令的下一条指令的地址。这样做可以使程序在执行完子函数之后得以返回父函数。

R15R15是程序计数器(PCProgram Counter)。在执行指令时,PC总是自动的增加,增加的大小等于正在执行指令的长度。这个长度在ARM架构下是固定的,ARM模式是4字节,Thumb模式是2字节。当执行分支指令时,PC被更新为目的地址。需要注意的是,由于RISC CPU流水线优化的原因,在执行期间,ARM模式下PC等于当前指令地址加8Thumb模式下等于当前指令地址加4,也就是后移两条指令。这不同于x86EIP寄存器,总是指向当前指令的下一条指令。

下面我们通过调试器来看看PC的行为。我们使用下面的程序,先将PC保存在寄存器r0中,然后随意执行两条指令。让我们看看会发生什么:

.section .text

.global _start

.global _main

_start:

    b _main

_main:

    mov r0, pc

    mov r1, #2

    add r2, r1, r1

    bkpt

我们使用gdb远程调试(作者在这里使用了gef增强脚本,可以在https://github.com/hugsy/gef找到,关于gdb远程调试环境搭建以及gef的配置使用,后面会单独写文章介绍)在_main标号处设置断点,然后执行:

gef b _main

Breakpoint 1 at 0x10058: file src/0x00pc/pc.s, line 9.

gef c

Continuing.

你应该会看到类似下面的输出:

$r0  : 0x00000000

$r1  : 0x00000000

$r2  : 0x00000000

$r3  : 0x00000000

$r4  : 0x00000000

$r5  : 0x00000000

$r6  : 0x00000000

$r7  : 0x00000000

$r8  : 0x00000000

$r9  : 0x00000000

$r10 : 0x00000000

$r11 : 0x00000000

$r12 : 0x00000000

$sp  : 0xbefff740    0x00000001

$lr  : 0x00000000

$pc  : 0x00010058    <_main+0>mov r0,  pc

$cpsr: [thumb fast interrupt overflow carry zero negative]

──────────────[ source:src/0x00pc/pc.s+9 ]────────────

      5     _start:

      6         b _main

      7    

      8     _main:

->    9         mov r0, pc

      10        mov r1, #2

      11        add r2, r1, r1

      12        bkpt0x8070 andeq r0, r0, r11

我们可以看到,PC中存储的地址为(0x10058),也就是下一条即将执行的指令地址。我们使用si命令单步执行,下一条指令中PC将被存储到寄存器r0中,届时寄存器r0的值将会是0x10058,是这样吗?

$r0  : 0x00010060    <_main+8>add r2,  r1,  r1

$r1  : 0x00000000

$r2  : 0x00000000

$r3  : 0x00000000

$r4  : 0x00000000

$r5  : 0x00000000

$r6  : 0x00000000

$r7  : 0x00000000

$r8  : 0x00000000

$r9  : 0x00000000

$r10: 0x00000000

$r11: 0x00000000

$r12: 0x00000000

$sp  : 0xbefff740    0x00000001

$lr  : 0x00000000

$pc  : 0x0001005c    <_main+4>mov r1,  #2

$cpsr: [thumb fast interrupt overflow carry zero negative]

─────────────[ source:src/0x00pc/pc.s+10 ]────────────

      6     b _main

      7    

      8     _main:

      9         mov r0, pc

->    10        mov r1, #2

      11        add r2, r1, r1

      12        bkpt

然而,事实并非如此。我们来看寄存器r0,我们期待的结果是调试器显示的PC的值0x10058,然而指令执行的结果表明,在指令执行时PC指向的是0x10060,相当于向后偏移两条指令的位置。产生这种差异的原因其实很简单,调试器显示的PC寄存器的值是经过处理的。下面我简单解释一下,当0x10058处的指令被执行时,PC寄存器已经指向了0x10058+0x8处的指令,这是由于CPU的流水线机制导致的。CPU取指令,解码指令和执行指令时使用的是不同的硬件部件,因此,这几个操作(实际的CPU可能更复杂,有更多的操作步骤)是可以并行执行的。因为RISC CPU的指令长度一定,所以CPU可以在解码指令之前就知道下一条指令的长度,从而在解码指令时取下一条指令,在执行指令时,对下一条指令进行解码,并取下下一条指令,这称为三级流水线。所以ARM当我们在执行0x10058处的指令时,PC已经指向0x10060处进行取指令操作了。这是硬件中真实发生的情况,而调试器为了令展示更有逻辑性,所以PC寄存器显示了当前执行指令的地址,当我们真实调试时不要受此影响。

当前程序状态寄存器

当你调试一个ARM二进制文件时,你会关心Flags

如果你查看gef显示的寄存器信息,会发现一个特殊的寄存器$cpsrCurrent Program Status Register,当前程序状态寄存器)。你可以看到其中存储了thumbfastinterruptoverflowcarryzeronegative这些Flags标志位。

$sp  : 0xbefff740    0x00000001

$lr  : 0x00000000

$pc  : 0x0001005c    <_main+4>mov r1,  #2

$cpsr: [thumb fast interrupt overflow carry zero negative]
thumbfastinterruptoverflowcarryzeronegative这些标志位,由寄存器$cpsr中特定的比特位表示。当$cpsr寄存器的某个比特位被置位时,gef中的标志位会显示为粗体。NZCV位与x86EFLAG寄存器中的SFZFCFOF位相同。这些标志位被用于实现汇编语言层变的条件分支和循环,我们将在第六篇:条件分支中对它们进行详细介绍。


上图显示了32 bit寄存器$cpsr的布局,左边是高位,右边是低位。每个单元格(除了GEMM和空白单元格)都是1 bit。这些1 bit的标志位定义了程序当前状态的各种属性。

标记

含义

NNegative

指令执行结果为负时置1

ZZero

指令执行结果为0时置1

CCarry

加法有进位则置1否则置0,减法有借位则置0否则置1

VoVerflow

指令执行结果超出32位补码存储范围时置1

EEndian-bit

0时使用小端序,置1时使用大端序

TThumb-bit

1时使用Thumb模式,置0时使用ARM模式

MMode-bit

5位表示处理器运行模式

JJazelle

对于有的处理器,置位表示允许以硬件执行java字节码

假设我们用cmp指令来比较12,结果将为负,Negative标志位被置1。因为cmp指令执行一次隐式的减法操作,1-2=-1。然而,如果我们比较21(和刚才相反),减法操作不借位,Carry标志位被置1。如果我们比较两个相同的数,比如22,那么2-2=0,在Carry标志位置1的同时,Zero标志位也被置1。可以使用如下示例程序检验上述分析。

.section .text

.global _start

.global _main

_start:

    b _main

_main:

    mov r1, #1

    mov r2, #2

    cmp r1, r2

    cmp r2, r1

    cmp r2, r2

    bkpt


原文链接:https://azeria-labs.com/arm-data-types-and-registers-part-2/

翻译:ljcnaix


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