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系统总结ARM基础
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发表于: 2024-4-20 20:35
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ARM汇编
一般的我们的电脑都是X86架构的机器，这里我们使用clang来对我们的文件进行编译，自己编译文件，放入ida中对照着学习更容易理解一点
关于clang的一些指令：
使用clang直接编译成可执行文件
1 2 3 4 5 6 | //将我们的文件编译成ARMv5架构的文件（32位）clang -target armv-linux-android21 demo.c -o demo//将我们的文件编译成ARMv7-A架构的文件 (32位)clang -target armv7a-linux-android21 demo.c -o demo//将我们的文件编译成AArch64 架构的文件（64位）clang -target aarch64-linux-android21 1.cpp -o demo |
分开步骤进行编译
预处理
1 | clang -target arm-linux-android21 -E demo.c -o demo.i |
编译（生成汇编文件）
1 | clang -target arm-linux-android21eabi -S demo.i -o demo.s |
汇编（生成未资源重定位的二进制文件）
1 | clang -target arm-linux-android21eabi -S demo.s -o demo.o |
链接（生成可执行文件）
1 | clang -target arm-linux-android21eabi -S demo.o -o demo |
clang编译thumb架构的文件
1 | clang -target arm-linux-android21 -S -mthumb demo.c -o demo.s |
针对于ARM与thumb的区别
我们学习ARM架构的时候，我们常常会听说从arm状态转为thumb状态。这里记录一下龙去脉
随着ARM架构的发展，在许多方面都有所用到，但是我们ARM的指令集都是32位，或者64位的，随着手机等设备对32位处理器需求的不断增加，功耗和成本都变得十分关键。如何减少程序占用空间大小的问题亟待解决，这个时候，arm公司就推出了ARM7TDMI处理器，在其上面就能支持了16位指令集，即thumb。 thumb出现的目的是实现更高的代码密度，本质上是对我们的ARM指令的扩充。
ARM处理器具有从ARM状态到Thumb状态和从Thumb状态到ARM状态的无缝转换能力，可以根据需要动态切换指令集
一些区别：
- ARM 指令集提供了完整的 32 位指令，用于执行各种操作，包括算术运算、逻辑操作、数据传输等。而thumb没有很完整的指令集，有些情况下需要切换到arm下进行执行
- thumb现在来说一般是16, 32位的指令集，而ARM现在一般是32，64位的指令
总得来说，thumb就是实现一个更高性能，更高代码密度的ARM指令分支。
ARM寄存器
Arm-v7架构
ARM共有37个寄存器，都是32位长度的寄存器（具体可以看后面的工作模式图）
37个寄存器中其中前31个（0~30）是通用寄存器（模式不同，使用的时候有所区别），最后2个(31,32)是专用寄存器（sp 寄存器和 pc 寄存器)。 5个固定用作5种异常模式下的SPSR。
- CPSR：当前程序状态寄存器，通常不直接操作，除非进行异常处理或任务切换。
- SPSR：在异常处理中使用，保存异常发生时的CPSR值。
通用寄存器
ARM架构的通用寄存器是用于执行大多数指令的寄存器，可存储临时数据、地址和中间计算结果。
R0-R12：通用目的寄存器
- R0-R3 通常用作指令操作数，传递函数参数和返回值。
- R4-R11 通常用作局部变量存储，称为"callee-saved"寄存器，函数使用前需保存值，返回前需恢复。
- R12 有时称为Intra-Procedure-call scratch register（IP），在某函数调用约定中用作临时存储。FP：栈帧基址寄存器，即R12
R13 (SP)：堆栈指针寄存器
- SP 指向当前栈顶，管理函数调用参数传递、局部变量存储和返回地址。
R14 (LR)：链接寄存器
- LR 存储子程序调用返回地址。执行BL（Branch and Link）指令时，将PC当前值保存到LR，函数执行完毕后返回调用点。
R15 (PC)：程序计数器
- PC 存储下一条将执行指令的地址。执行分支指令时，PC更新为新地址。
CPSR (Current Program Status Register)
CPSR寄存器包含当前程序状态信息，包括：
- 条件标志位：零标志(Z)，负标志(N)，进位标志(C)，溢出标志(V)，通常在算术或逻辑操作后自动设置，用于条件分支指令。
- 控制位：中断禁用位(I)和快速中断禁用位(F)，用于控制中断使能状态。
- 模式位：指示当前CPU操作模式，如用户模式、系统模式、中断模式等。
SPSR (Saved Program Status Register)
异常发生（如中断）时，当前CPSR自动保存到SPSR，以便异常处理后恢复先前状态。每种异常模式有自己的SPSR。
关于ARM-V8架构
通用寄存器
Arm-v8架构有31个通用寄存器X0-X30 (64位长），而Arm-v7架构仅有16个通用寄存器R0-R15（32位长）
| 寄存器 | 说明 |
|---|---|
| X0 寄存器 | 用来保存返回值（或传参） |
| X1 ~ X7 寄存器 | 用来保存函数的传参 |
| X8寄存器 | 也可以用来保存返回值 |
| X9 ~ X28寄存器 | 一般寄存器，无特殊用途 |
| x29(FP)寄存器 | 用来保存栈底地址 |
| X30 (LR)寄存器 | 用来保存返回地址 |
| X31(SP) 寄存器 | 用来保存栈顶地址 |
| X31(ZR)寄存器 | 零寄存器，恒为0 |
| X32(PC)寄存器 | 用来保存当前执行的指令的地址 |
特殊用途寄存器（X8, X16~X18, X29, X30）:（了解）
- X8：间接结果寄存器。用来保存间接结果的地址
- 子程序内部调用寄存器，ip寄存器（Intra-Procedure-Call Temporary Registers），IP0与IP1，可被Veneers（实现Arm/Thumb状态切换）。或是用于在子程序调用前，作为存储中间值的临时寄存器。使用时不需要保存。
- x18：平台寄存器（Platform Register），用于保存当前所用的平台的ABI=
- x29：帧指针寄存器（FP），用于连接栈帧，使用时必须保存。
- x30：链接寄存器（LR），用于保存子程序的返回地址。
寄存器的访问方式
64寄存器总的来说有两种不同的使用，一种就是当原本的64位的寄存器来访问，另一种就是为了兼容32位，将64位寄存器拆成32位的寄存器来使用
通用寄存器的访问方式有2种：
- 当作 32位寄存器的时候，使用
W0~W30来引用它们。（数据保存在寄存器的低32位） - 当作 64位 寄存器的时候，使用
X0~X30来引用它们。
对于一些专用寄存器的访问方式:
栈帧指针寄存器:32位，使用 WSP 来引用，64位，使用 SP 来引用
零寄存器:32位，使用 WZR 来引用，64位，使用 ZR 来引用。
ARM处理器几种工作模式
用户模式 (User Mode):
正常程序执行的默认模式。
快速中断模式 (FIQ Mode)
用于处理快速中断请求，有额外的寄存器以减少中断服务例程的执行时间。
普通中断模式 (IRQ Mode)
用于处理普通的中断请求。
管理模式 (Supervisor Mode)
用于操作系统的内核级别操作，通常在系统启动或系统调用时进入。
未定义模式 (Undefined Mode)
当执行了未定义的指令时进入此模式。 在异常或中断发生时，处理器会自动切换到相应的模式，并使用该模式下的寄存器集。
中止模式 (Abort Mode)
当发生数据或指令预取中止时进入此模式。
系统模式 (System Mode)
用于运行操作系统的内核代码，与用户模式共享相同的寄存器。
ARM架构下的函数调用约定
ARM 架构下常见的函数调用约定有两种：
AAPCS（ARM Architecture Procedure Call Standard）
AAPCS-VFP（ARM Architecture Procedure Call Standard with the Vector Floating-Point extension）
AAPCS：
AAPCS 是 ARM 架构的默认函数调用约定，适用于大多数 ARM 架构的编译器和操作系统。它定义了函数参数的传递方式、栈的使用规则以及寄存器的分配方式。
- 参数传递：函数的前几个参数（通常是 R0、R1、R2、R3）通过寄存器传递，而剩余的参数通过栈传递。参数的传递顺序是从左到右。
- 栈的使用：栈用于保存局部变量、临时变量和函数调用过程中的状态。栈的增长方向是从高地址向低地址。
- 寄存器的分配：除了用于参数传递的寄存器，还有一些寄存器被用作临时寄存器或保存特定的值，如栈指针（SP）、链接寄存器（LR）和程序计数器（PC）等。
- 堆栈的管理由被调用的函数负责。具体来说，堆栈的管理包括参数的压栈、局部变量的分配和释放、以及函数调用过程中的保存和恢复寄存器等。
AAPCS-VFP：
AAPCS-VFP 是在 AAPCS 的基础上添加了向量浮点扩展（Vector Floating-Point extension）的函数调用约定。它适用于需要使用浮点运算的函数。
- 浮点参数传递：浮点参数通过浮点寄存器传递，通常是 S0、S1、S2、S3 等。如果参数个数超过了浮点寄存器的数量，剩余的参数通过栈传递。
- 浮点寄存器的使用：除了用于浮点参数传递的寄存器，还有一些寄存器被用作临时寄存器或保存特定的值，如浮点链接寄存器（LR）和浮点状态寄存器（FPSCR）等。
汇编指令
ARM中的寻址方式：
寄存器寻址
将 R2 中的值移动到 R1 中。
1 | mov r1, r2 |
立即寻址
将 0xFF00 立即数移动到 R0 中。
1 | mov r0, #0xFF00 |
寄存器移位寻址
将 R1 左移 3 位的结果移动到 R0 中。
1 | mov r0, r1, lsl #3 |
寄存器间接寻址
将 R2 指向的地址中的值加载到 R1 中。
1 | ldr r1, [r2] //r1=*r2 |
基址变址寻址
将 R2 加上 4 所得的地址中的值加载到 R1 中。
1 | ldr r1, [r2, #4] ; r1=*(r2+4) |
多寄存器寻址
将 R1 中的值加载到 R2-R7 和 R12 中，然后将 R1 加上 32。
1 | ldmia r1!, {r2-r7, r12} |
堆栈寻址
将 R2-R7、LR 的值存储到堆栈中，然后将 SP 减去 24。
1 | stmfd sp!, {r2-r7, lr} |
相对寻址
如果条件码为 EQ，则跳转到标签 flag 处。
1 2 | beq flagflag: |
汇编常用的指令
跳转指令
B 强制跳转
1 | B label //无条件跳转到标签 label 处 |
BL 带返回的跳转，将返回地址放入LR寄存器中
1 | BL label //跳转到标签 label 处，并将返回地址存储在 LR 中 |
BLX 带返回和带状态的切换跳转指令 arm → thumb
1 | BLX label //跳转到标签 label 处，并将返回地址存储在 LR 中。可以实现 ARM 和 Thumb 之间的切换 |
Bx 带状态的跳转
1 | BX R1 // 跳转到地址存储在 R1 中的位置，并切换到相应的指令集模式 |
数据处理指令
mov 赋值
1 | MOV R0, R1 //将 R1 中的值赋值到 R0 中。 |
ADD 加
1 | ADD R0, R1, R2 //将 R1 和 R2 中的值相加，然后将结果存储到 R0 中。 |
SUB 减
1 | SUB R0, R1, R2 // |
AND 与
1 | AND R0, R1, R2 //将 R1 和 R2 中的值进行按位与操作，然后将结果存储到 R0 中。 |
EOR：异或
1 | EOR R0, R1, R2 //将 R1 和 R2 中的值进行按位异或操作，然后将结果存储到 R0 中。 |
ORR：或
1 | ORR R0, R1, R2 //将 R1 和 R2 中的值进行按位或操作，然后将结果存储到 R0 中。 |
BIC：与非 , 可以实现的 Bit Clear的功能
1 2 3 | BIC R0, R1, #0xf //将 R1 和立即数 #0xf 进行按位与非操作，然后将结果存储到 R0 中。//将R1 低4位清0 |
乘法指令：
MUL 一般乘法：
1 | MUL r0 r1,r2 //r0 = r1 * r2 乘法 |
MLA 带加法的乘法:
1 | MLA r0,r1,r2,r3 //r0 = r1 * r2 + r3 带加法的乘法 |
由于32位寄存器 没有办法存64位的大数，因此需要两个寄存器来存储，64位的乘法操作就会发送改变
SMULL 64位乘法:
1 | SMULL r0,r1 ,r2 ,r3 // r0 = (r2 * r3)的低32位 r1 = (r2 * r3)的高32位 |
SMLAL 64位带加法的乘法
1 | SMLAL r0,r1 ,r2 ,r3 //r0 = (r2 * r3)的低32位 + r0 r1 = (r2 * r3)的高32位 + r1 |
UMULL 64位无符号乘法
1 | UMULL r0,r1 ,r2 ,r3 // r0 = (r2 * r3)的低32位 r1 = (r2 * r3)的高32位 |
UMLAL 64位无符号带加法的乘法
1 | UMLAL r0,r1 ,r2 ,r3 //r0 = (r2 * r3)的低32位 + r0 r1 = (r2 * r3)的高32位 + r1 |
移位操作：
LSL：逻辑左移指令，将寄存器中的值向左移动指定的位数，移动时右侧空出的位补零。
1 | LSL R0, R1, #2 // 将 R1 中的值左移 2 位，结果存储到 R0 中 |
LSR：逻辑右移指令，将寄存器中的值向右移动指定的位数，移动时左侧空出的位补零。
1 | LSR R0, R1, #3 // 将 R1 中的值右移 3 位，结果存储到 R0 中 |
ROR：循环右移指令，将寄存器中的值向右移动指定的位数，移动时左侧空出的位补上右侧的位。
1 | ROR R0, R1, #4 // 将 R1 中的值循环右移 4 位，结果存储到 R0 中 |
ASR：算术右移指令，将寄存器中的值向右移动指定的位数，移动时左侧空出的位补上符号位。
1 | ASR R0, R1, #5 // 将 R1 中的值算术右移 5 位，结果存储到 R0 中 |
RRX：扩展的循环右移指令，将寄存器中的值向右移动一位，同时将 C 标志位的值作为最低位插入到左侧。
1 | RRX R0, R1 // 将 R1 中的值扩展的循环右移 1 位，结果存储到 R0 中 |
内存访问指令：
为什么会分别有加载指令和存储指令？
ARM汇编采用RISC架构，CPU本身并不能直接的读取内存，而是需要先将内存中的内存加载进入CPU通用寄存器之中，才能被我们的CPU进行处理
ldr 读取
1 2 3 4 5 | ldr r0,=0x12 //将0x12赋值给r0ldr r0, .lable1 //获得.lable1的地址，存储在r0之中ldr r0,[r3] // r0 = *r3ldr r0,[r3,#4] // r0 = *(r3 + 4)ldr r0,[r3,r2,LSL #2] // r0 = *(r3+(r2 << 2)) |
str 存储
1 2 3 | STR R0，[R1]，＃8 // 将R0中的字数据写入以R1为地址的存储器中，并将新地址R1＋8写入R1。STR R0，[R1，＃8] // 将R0中的字数据写入以R1＋8为地址的存储器中。”STR R1, [r0] // 将r1寄存器的值，传送到地址值为r0的（存储器）内存中 |
ldr与 str 指令的后缀与变种
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | 在32位中会读4个字节 在64位中会读8个字节读取ldr ldrb //读一个字节 一个字节的读取ldrh //读一个数 两个字节的读取ldm //批量进行处理 （根据一些组合有着不同的方式，后面写）存储str //四字节写入strb //一个字节写入strh //两个字节写入stm // 批量处理 |
比较寄存器指令
CMP 比较两个操作数的值
1 2 | CMP r1, #10 ; 比较寄存器 r1 的值和立即数 10BGT label ; 如果 r1 的值大于 10，则跳转到 label 处 |
CMN 比较两个操作数的值的补码
1 2 | CMN r2, #5 ; 比较寄存器 r2 的值的补码和立即数 5BLE label ; 如果 r2 的补码值小于或等于 5，则跳转到 label 处 |
TST 将两个操作数进行按位与运算，并根据结果设置条件码。
1 2 | TST r3, #0xFF ; 检查寄存器 r3 的低八位是否全部为 1BEQ label ; 如果 r3 的低八位全为 1，则跳转到 label 处 |
TEQ 将两个操作数进行按位异或运算，并根据结果设置条件码。
1 2 | TEQ r4, #0x80 ; 检查寄存器 r4 的值和立即数 0x80 的异或结果BNE label ; 如果 r4 的值与 0x80 异或后不为零，则跳转到 label 处 |
比较值指令
| 指令 | 全称 | 描述 | 条件 |
|---|---|---|---|
| BEQ | Branch if Equal | 相等 | Z = 1 |
| BNE | Branch if Not Equal | 不等 | Z = 0 |
| BPL | Branch if Plus | 非负 | N = 0 |
| BMI | Branch if Minus | 负 | N = 1 |
| BCC | Branch if Carry Clear | 无进位 | C = 0 |
| BCS | Branch if Carry Set | 有进位 | C = 1 |
| BLO | Branch if Lower | 小于（无符号数） | C = 1 |
| BHS | Branch if Higher or Same | 大于等于（无符号数） | C = 0 |
| BHI | Branch if Higher | 大于（无符号数） | C = 0, Z = 0 |
| BLS | Branch if Lower or Same | 小于等于（无符号数） | C = 1, Z = 1 |
| BVC | Branch if oVerflow Clear | 无溢出（有符号数） | V = 0 |
| BVS | Branch if oVerflow Set | 有溢出（有符号数） | V = 1 |
| BGT | Branch if Greater Than | 大于（有符号数） | N = V, Z = 0 |
| BGE | Branch if Greater than or Equal | 大于等于（有符号数） | N = V |
| BLT | Branch if Less Than | 小于（有符号数） | N ≠ V |
| BLE | Branch if Less than or Equal | 小于等于（有符号数） | Z = 1 or N ≠ V |
堆栈的指令组合后缀
四种栈的类型
空栈：栈指针指向空位，每次存入时可以直接存入然后栈指针移动一格；而取出时需要先移动一格才能取出
满栈：栈指针指向栈中最后一格数据，每次存入时需要先移动栈指针一格再存入；取出时可以直接取出，然后再移动栈指针
增栈:栈指针移动时向地址增加的方向移动的栈
减栈:栈指针移动时向地址减小的方向移动的栈
针对此衍生出了8种后缀
ia（increase after :先传输，再地址+4
ib（increase before : 先地址+4，再传输
da（decrease after: 先传输，再地址-4
db（decrease befor : 先地址-4，再传输
fd（full decrease）:满递减堆栈
ed（empty decrease）:空递减堆栈
fa：满递增堆栈
ea：空递增堆栈
在理解的时候我们就可以将其拆开理解，比如LDMIA 就是LDM IA 两部分理解一些例子：
从地址 r0 开始读取 4 个字（word），分别存储到 r1-r4 寄存器中，然后将地址 r0 增加 4。
1 | LDMIA r0!, {r1-r4} |
将地址 r0 增加 4，然后从新地址开始读取 3 个字，分别存储到 r1-r3 寄存器中。
1 | LDMIB r0, {r1-r3} |
从地址 r0 开始读取 2 个字，分别存储到 r1-r2 寄存器中，然后将地址 r0 减少 4，并将读取的最后一个字存储到 lr 寄存器中。
1 | STMFD sp!, {r1-r3, lr} |
将 r1-r3 寄存器中的数据存储到地址 sp 指向的存储器中，然后将 sp 减少 16（4 个字），并将 lr 寄存器中的数据存储到新的地址 sp 指向的存储器中。
1 | LDMDB r0!, {r1-r2, lr} |
指令中！的作用
一般的，当感叹号 "!" 出现在寄存器名称后面时，就表示在执行指令后会更新该寄存器的值。如果没有！，表示执行指令前不更新该寄存器的值。
1 2 | ldmia r0, {r2 - r3}ldmia r0！, {r2 - r3} |
这里感叹号的作用就是r0的值在ldm过程中发生的增加或者减少最后写回到r0去，第二句的ldm时会改变r0的值，而第一句，没有!，运行之后不会更新 r0 的值
指令中^的作用
^的作用：在目标寄存器中有pc时，会同时将spsr写入到cpsr，一般用于从异常模式返回。
1 2 | ldmfd sp!, {r0 - r6, pc}ldmfd sp!, {r0 - r6, pc}^ |
汇编不同写法，对于寄存器的改变(先算括号）
偏移量方法
1 | LDR R0,[R1, #4] |
实现的操作：
r0= *(r1 + 4)
事先更新
1 | LDR R0,[R1, #4]! |
实现的操作：
r0 = *（r1 + 4)
r1 = r1 +4
事后更新:
1 | LDR R0,[R1], #4 |
实现的操作：
r0=*r1
r1=r1+4
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